徐超，劉沖,王永綱 ?。ㄖ袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué) 近代物理系，安徽 合肥 230026）
摘要：FPGA因其具有高度的靈活性與強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力而被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中。USB2.0因其數(shù)據(jù)傳輸速率快和接口的多樣化而廣泛使用。以USB2.0控制器CY7C68013A為接口設(shè)計和實現(xiàn)了上位機(jī)與FPGA中FIFO與寄存器之間的讀寫。經(jīng)測試表明，該設(shè)計達(dá)到了47 MB/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，接近USB2.0控制芯片的最高速率48 MB/s。
關(guān)鍵詞：FPGA；USB2.0；CY7C68013A；數(shù)據(jù)傳輸
0引言
目前，系統(tǒng)設(shè)備不斷向高速化、集成化、低功耗的方向飛速發(fā)展。而現(xiàn)場可編程門陣列FPGA經(jīng)過這些年的發(fā)展，已經(jīng)成為實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)的主流平臺之一。FPGA具有高度的靈活性和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，常被用來定制外設(shè)的控制器以及前端處理模塊。但FPGA并沒有提供和上位機(jī)之間直接通信的接口，為了更方便地對數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的分析和保存，就需要解決FPGA和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌趩栴}。
USB2.0已經(jīng)廣泛使用于個人電腦中，USB2.0相比于以前的USB版本在速度上有兩個很大的提升。USB2.0協(xié)議具有以下優(yōu)點：（1）速度快，在高速塊傳輸，最大數(shù)據(jù)字段的模式下，最高可以達(dá)到60 MB/s［1］，本文設(shè)計的塊傳輸，512 B數(shù)據(jù)字段的模式下，可達(dá)53.2 MB/s； (2）連接簡單，可即插即用；（3）可支持多設(shè)備采用“級聯(lián)”方式連接外設(shè)。
本文通過USB2.0 的外設(shè)控制器CY7C68013A，實現(xiàn)了FPGA 和上位機(jī)之間數(shù)據(jù)傳輸接口的設(shè)計［24］，經(jīng)測試，該設(shè)計能夠接近理論上的傳輸速度。
1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
USB系統(tǒng)是一個主從系統(tǒng)，所有的命令是由主設(shè)備（上位機(jī)）發(fā)出，從設(shè)備接收到命令后，執(zhí)行所要求的操作。在主設(shè)備要求讀數(shù)據(jù)時，從設(shè)備才會向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。圖1給出了整個設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
系統(tǒng)讀寫時，由上位機(jī)的應(yīng)用程序發(fā)起請求，通過驅(qū)動程序接口（API）調(diào)用驅(qū)動程序。驅(qū)動程序控制USB控制器向CY7C68013A發(fā)送數(shù)據(jù)，CY7C68013A的SIE模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，然后根據(jù)內(nèi)部的固件程序通過GPIF模塊向FPGA發(fā)送時序波形并讀寫數(shù)據(jù)。在對FPGA進(jìn)行讀寫FIFO或者Register時，F(xiàn)PGA與USB芯片之間的控制信號由內(nèi)部的GPIF決定。2系統(tǒng)軟硬件組成
2.1USB2.0接口
USB2.0［5］的接口芯片采用CY7C68013A。該芯片包含了USB2.0的集成微控制器，內(nèi)部集成了一個增強(qiáng)型的8051CPU，該芯片負(fù)責(zé)配置芯片的工作方式、數(shù)據(jù)流的控制等，一個串行接口引擎SIE，解析USB協(xié)議，實現(xiàn)對上位機(jī)的收發(fā)，以及可編程的其他外圍接口。該芯片還提供了一種獨(dú)特的架構(gòu)，是USB接口和應(yīng)用環(huán)境共享Slave FIFOs，微控制器不需要參與數(shù)據(jù)的傳輸，這樣就大大提高了整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率。本文采用GPIF的模式，通過對GPIF的編程實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。EZ-USB FX2的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
2.2FPGA的接口設(shè)計
FPGA不僅需要和內(nèi)部其他邏輯模塊連接，還需要對USB的GPIF進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。因此，為通用起見，設(shè)計FPGA接口實現(xiàn)對寄存器的讀、寫和FIFO的讀、寫操作?！ PIF對FPGA的控制信號CTL只有三位，能區(qū)分8種不同的狀態(tài)。為了讓FPGA能區(qū)分寄存器讀、寫（包括地址和數(shù)據(jù)）以及FIFO的讀、寫、空閑等7種不同的狀態(tài)，CTL控制線的每種編碼決定了唯一的操作狀態(tài)?！ ?.3芯片固件程序設(shè)計 固件設(shè)計的核心是GPIF的設(shè)計［67］，GPIF設(shè)計不當(dāng)以及上位機(jī)調(diào)用不合理會導(dǎo)致系統(tǒng)的整體速度不高?！ PIF電路工作在48 MHz時鐘下，數(shù)據(jù)線有16位，兩個周期實現(xiàn)一次FIFO的讀寫，故理論上能夠達(dá)到48 MB/s的傳輸速率。
本文采用了“量子FIFO”的處理結(jié)構(gòu)，很好地解決了USB高速模式的帶寬問題。 在GPIF高速數(shù)據(jù)傳輸中，GPIF波形的描述符決定了整個數(shù)據(jù)傳輸過程的時序。通常用Cypress公司的GPIF工具進(jìn)行配置，在GPIF方式下，所有的讀寫和控制邏輯都可以通過軟件編程的形式實現(xiàn)，具有很大的靈活性。
由于GPIF的狀態(tài)機(jī)只能由一個狀態(tài)跳轉(zhuǎn)到兩個不同的狀態(tài)，而在FIFO讀寫過程中需要檢測的變量和跳轉(zhuǎn)的狀態(tài)比較多，有時就需要進(jìn)行多級跳轉(zhuǎn)，這樣嚴(yán)重限制了數(shù)據(jù)的傳輸速度。為解決這個問題，本文在分析了所有的跳轉(zhuǎn)情況后，將正常讀寫FIFO的跳轉(zhuǎn)次數(shù)減少，而將特殊情況跳轉(zhuǎn)次數(shù)增加，使得兩個時鐘周期內(nèi)進(jìn)行一次讀寫操作，這樣保證了功能的實現(xiàn)，且保證了48 MB/s的讀寫速度。
圖3給出了FIFO讀操作模式下設(shè)計的GPIF的狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖。當(dāng)USB控制線設(shè)置為FIFO讀模式時，系統(tǒng)進(jìn)入狀態(tài)S1,此時，申請F(tuán)IFO數(shù)據(jù)線驅(qū)動USB數(shù)據(jù)總線，此時如果GPIF內(nèi)部的FIFO沒有問題且FPGA給出以準(zhǔn)備好的信號，進(jìn)入S2狀態(tài)， S2申請讀FIFO，F(xiàn)IFO可讀，則進(jìn)入狀態(tài)S3，向USB總線發(fā)送數(shù)據(jù)，如果GPIF的FIFO沒有問題且未讀完，則回到狀態(tài)S2，如此循環(huán)，直到數(shù)據(jù)讀完。讀完數(shù)據(jù)后，最終會回到空閑狀態(tài)，表明本次數(shù)據(jù)傳輸完成。
從上面的過程中可以看出，在兩個時鐘周期內(nèi)完成了一個16 bit數(shù)據(jù)的傳輸，充分利用了USB2.0的數(shù)據(jù)帶寬，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率?！ D4給出了FIFO寫操作模式下的GPIF的轉(zhuǎn)換圖，與上面的分析類似，兩個周期內(nèi)就能夠完成一次數(shù)據(jù)傳輸。
2.4驅(qū)動和應(yīng)用程序設(shè)計
Cypress 提供了Windows系統(tǒng)下的驅(qū)動，并以C++靜態(tài)鏈接庫的形式提供了調(diào)用驅(qū)動的函數(shù)庫。設(shè)計中在此基礎(chǔ)上封裝了讀寄存器、寫寄存器、讀FIFO、寫FIFO四個函數(shù)，并以DLL形式提供給用戶。上層使用的是MATLAB平臺，需要在該平臺上配置MEX編譯器，并使用loadlibrary函數(shù)以加載動態(tài)鏈接庫，加載后便可以調(diào)用DLL里提供的讀寫函數(shù)了。DLL也能被其他平臺調(diào)用。
3性能測試
為了驗證該設(shè)計方案，本文在帶有CY7C68013A和XILINX ARTIX 7 的電路板上對數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和傳輸速度進(jìn)行了測試。
3.1測試方法
對寄存器的讀寫驗證比較簡單，只需先通過DLL中的讀寫寄存器函數(shù)對不同地址的寄存器進(jìn)行寫操作，然后讀出來進(jìn)行比對即可。
而對FIFO讀操作驗證，需要在FPGA的內(nèi)部例化一個FIFO和一個計數(shù)器，并將計數(shù)器輸出的數(shù)據(jù)從0到65 535依次寫入到FIFO中，然后上層MATLAB中讀到的FIFO的值就應(yīng)該是從0到65 535依次遞增的序列。而通過測量讀取一定數(shù)目的數(shù)據(jù)的時間就可以計算出USB的讀出速度。FIFO寫操作的驗證與FIFO讀類似，不過在將數(shù)據(jù)寫進(jìn)FIFO后，需要由FPGA將FIFO中的數(shù)據(jù)與期望的數(shù)列比較。
3.2測試結(jié)果
本文在MATLAB平臺上進(jìn)行了驗證，對寄存器和FIFO的讀寫操作完整正確，對FIFO進(jìn)行讀寫的實測速度達(dá)到了47 MB/s，接近于理論上的48 MB/s。4結(jié)論 本文在USB2.0協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了FPGA與上位機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，驗證了該方案傳輸數(shù)據(jù)的正確性并且實測速度能夠達(dá)到47 MB/s，接近于理論上的48 MB/s傳輸速度。該方案具有穩(wěn)定、高速以及調(diào)用方便的優(yōu)點，目前已經(jīng)應(yīng)用于多個實驗裝置中。
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