1.引言

USB(Universal Serial Bus,通用串行總線)以其無需配置、即插即用等特性獲得了廣泛的應(yīng)用。2004年提出的USB2.0標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速度最大能夠達(dá)到480Mbps.但在USB3.0標(biāo)準(zhǔn)中，它的最大傳輸速度幾乎是傳統(tǒng)USB2.0傳輸速度的10倍，達(dá)到了5.0Gbps,被定義為“超高速U S B接口”.本文基于CYPRESS的FX3系列USB3.0芯片，對USB3.0總線進(jìn)行研究開發(fā)。

2.USB3.0接口芯片概述

賽普拉斯的EZ-USB FX3是新一代的USB3.0外設(shè)控制器，具有高度集成的靈活特性，允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)者將USB3.0添加至任何系統(tǒng)。本文采用的是FX3系列USB3.0芯片CYUSB3014.

FX3是完全兼容USB3.0 V1.0和USB2.0規(guī)范的，集成的USB2.0 OTG控制器允許芯片作為主從設(shè)備使用。另外，它還支持一些常用的外設(shè)接口，如SPI,I2C,UART和I2S可以與外部設(shè)備進(jìn)行通信。

FX3具有一個(gè)可進(jìn)行完全配置的并行通用可編程接口GPIF II,它可以與任何處理器、ASIC或是FPGA連接。它可以輕松無縫地連接至多種常用接口，比如異步SRAM、異步和同步地址數(shù)據(jù)復(fù)用式接口、并行ATA等等。EZ-USB FX3集成了USB3.0和USB2.0物理層(PHY)以及32位ARM926EJ-S微處理器，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，并可用于構(gòu)建定制應(yīng)用。

3.系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由軟件部分和硬件部分組成。軟件部分主要包括三大部分：PC機(jī)應(yīng)用程序、FX3固件程序、FPGA程序。硬件部分主要由FPGA、USB3.0芯片和DDR2組成，硬件的系統(tǒng)框圖如圖2所示。本文主要完成了硬件、PC機(jī)應(yīng)用程序和FPGA程序的設(shè)計(jì)。

FX3固件程序使用的是Cypress的SDK開發(fā)包的固件程序。

3.1 DDR模塊設(shè)計(jì)

與FPGA相比，USB3.0接口是一個(gè)高速的接收單元。在不同工作速度的系統(tǒng)之間，數(shù)據(jù)緩存是不可或缺的部分，一般來說，使用FIFO基本可以使各系統(tǒng)工作在自己的時(shí)鐘頻率下，而不需要反復(fù)的互相握手信號就能進(jìn)行數(shù)據(jù)的交流。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)是保存在計(jì)算機(jī)上，由于各計(jì)算機(jī)的硬件配置可能會不一樣，我們設(shè)計(jì)了DDR2虛擬FIFO模塊來進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，為批量傳輸時(shí)能夠提供足夠的緩存，不用擔(dān)心為緩存不夠電腦來不及存取數(shù)據(jù)造成數(shù)據(jù)丟失。

本系統(tǒng)選用兩片MT47H64M16HR,兩片DDR并聯(lián)控制總線和地址總線，總存儲容量達(dá)到2Gbit,讀寫寬度都為16bit,它具有豐富的資源，足夠滿足本系統(tǒng)的需要。

3.2 USB3.0接口設(shè)計(jì)

與USB2.0不同的是，USB3.0在與計(jì)算機(jī)通訊時(shí)，它有自己專用的數(shù)據(jù)通路，專用的數(shù)據(jù)發(fā)送線路和獨(dú)立的數(shù)據(jù)接收線路，即圖3中四線差分信號SSRX+/-和SSTX+/-,從而可以真正的實(shí)現(xiàn)全雙工。同時(shí)，USB3.0還兼容了USB2.0的D+/-信號接口，從而可以與USB2.0無縫連接。使用從器件FIFO接口與FPGA鏈接，傳輸速度能達(dá)到可達(dá)到320MBps.圖3為USB芯片與FPGA和PC機(jī)的電路連接。

3.3 FPGA邏輯設(shè)計(jì)

FPGA是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它需要產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存儲到DDR2中，以及將DDR2中讀出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到CYUSB3014大的內(nèi)部FIFO中，因此它主要由如圖2內(nèi)部所示模塊構(gòu)成。

3.3.1 USB接口模塊

USB接口模塊主要處理讀寫命令。讀寫命令需要計(jì)算機(jī)通過USB控制傳輸，傳遞到CYUSB3014中，再由CYUSB3014將具體的命令轉(zhuǎn)化為電平信號送到FPGA的IO口。USB接口模塊根據(jù)UART_RX上的電平信號，判斷出是讀命令還是寫命令，最終產(chǎn)生CYUSB3014的片選CS、使能OE、讀/寫控制等有效信號。

當(dāng)為寫命令時(shí)，CYUSB3014需要將從DDR2中讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送出去;當(dāng)為讀命令，讀取CYUSB3014傳遞過來的數(shù)據(jù)，流程圖如圖4所示。

圖5、圖6分別為同步寫入和讀出數(shù)據(jù)的時(shí)序圖。由于讀寫最大包為1024字節(jié)，所以實(shí)際每一包傳輸需要256個(gè)周期。圖中的輸入/出DQ數(shù)據(jù)為測試數(shù)據(jù)模塊和PC機(jī)產(chǎn)生的測試數(shù)據(jù)，RX即UART_RX信號。

3.3.2 測試數(shù)據(jù)模塊

當(dāng)計(jì)算機(jī)向FPGA發(fā)出讀命令時(shí)，F(xiàn)PGA產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)。32位數(shù)據(jù)，高16位為0,低16位循環(huán)計(jì)數(shù)，發(fā)送一個(gè)周期后，自動清零。

批量(bulk)傳輸時(shí)的最大包大小為1024字節(jié)，因此測試數(shù)據(jù)在0~255之間循環(huán)變化。

產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)傳輸流程為DATA->

DDR2->FIFO->CYUSB3014->PC機(jī)，實(shí)現(xiàn)了將測試數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī)的功能。

3.3.3 DDR2接口模塊

該部分直接負(fù)責(zé)外圍DDR2接口，利用FPGA的DDRII SDRAM IP核實(shí)現(xiàn)，按照DDR2芯片MT47H64M16HR來設(shè)定控制器的時(shí)序參數(shù)，控制器根據(jù)這些參數(shù)值生成滿足MT47H64M16HR時(shí)序的接口，再由DDR2模塊進(jìn)行讀寫控制。

4.測試結(jié)果及分析

4.1 寫入數(shù)據(jù)測試

當(dāng)應(yīng)用程序向USB發(fā)出寫命令時(shí)，F(xiàn)PGA產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)并傳給FX3以便上傳給PC機(jī)。

采集1000MB的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，以便在MATLAB中進(jìn)行分析。

CYPRESS官方開發(fā)包中自帶了streamer軟件進(jìn)行速度測試。在Endpoint選項(xiàng)中選擇Bulk in endpoint端點(diǎn)(Bulk Out對應(yīng)的是PC機(jī)向FPGA寫數(shù)據(jù))。由于批量傳輸時(shí)的最大包為1024字節(jié)，因此需要將Packets perXfer設(shè)置為256或以下，Xfers to Queue置為4.不同的USB3.0控制器，速度的測試結(jié)果會有所不同。如圖7所示是在64位WIN7系統(tǒng)下的測試及分析結(jié)果。如圖7(a)中所示，經(jīng)過一段時(shí)間的速度測試，23704個(gè)成功包，0失敗，往P C中寫入數(shù)據(jù)的速度能夠達(dá)到178800KB/S,即1.43Gbps.為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性，在MATLAB中對采集的8.0Gb數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由于測試數(shù)據(jù)是0~255之間循環(huán)變化，因此可以根據(jù)每一包數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)差是否為1來判斷數(shù)據(jù)的正確性，當(dāng)不為1時(shí)報(bào)錯(cuò)。

如圖7(b)所示，讀取的數(shù)據(jù)是正確的，沒有發(fā)生丟數(shù)或錯(cuò)數(shù)的情況。

4.2 讀出數(shù)據(jù)測試

類似的，當(dāng)應(yīng)用程序向USB發(fā)出讀命令時(shí)，同時(shí)會產(chǎn)生一組有規(guī)律的測試數(shù)據(jù)，并傳送給CYUSB3014,FPGA直接讀取數(shù)據(jù)。如下圖8(a)所示是讀入速度測試結(jié)果，18252個(gè)成功包，0失敗，往USB中寫入數(shù)據(jù)的速度能夠達(dá)到179000KB/S,即1.432Gbps.在FPGA中記錄下隨機(jī)采集的32k數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，同樣的可以根據(jù)數(shù)據(jù)間的差來判斷數(shù)據(jù)的正確性，如圖8(b)所示，寫入的數(shù)據(jù)時(shí)正確的，沒有發(fā)生丟數(shù)錯(cuò)數(shù)的情況。

5.結(jié)束語

本文在FPGA和CYUSB3014的基礎(chǔ)上，對USB3.0進(jìn)行了開發(fā)應(yīng)用。鑒于本文的系統(tǒng)架構(gòu)，雖然測試數(shù)據(jù)都是FPGA內(nèi)部產(chǎn)生，但是對于實(shí)際使用高采樣率AD的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有很大的借鑒意義。