利用FPGA实现外设通信接口之： 典型实例-USB 2.0接口的设计与实现

10.7典型实例17：USB2.0接口的设计与实现

10.7.1实例的内容及目标

1．实例的主要内容

本节旨在设计实现了FPGA通过FX2USB2.0接口芯片与PC机进行高速数据通信，分为读数据、写数据和读写数据3部分内容。帮助读者进一步了解USB接口芯片的工作原理和设计方法。

2．实例目标

通过本实例，读者应达到如下目标。

·了解FX2CY7C68013芯片的工作原理和SlaveFIFO模式时序。

·了解FX2的固件设计以及USB驱动程序设计。

·熟练掌握状态机的使用。

·实现FPGA与PC机之间的USB接口通信。

10.7.2USB接口通信实战步骤

首先创建工程并为工程添加文件，如图10.30所示。

然后编译工程并下载至硬件，如图10.31所示。

图10.30创建工程并添加文件 图10.31编译工程并下载

接下来可以加载固件了，固件程序的载入有两种方式。

（1）通过芯片的I2C总线连接外部的EEPROM，固件代码事先通过烧写器写入EEPROM中，USB设备上电运行时，通过I2C总线将EEPROM中固件代码载入。EZ-USB支持外部EEPROM通过总线来下载固件，这种方式使开发者可以从外围硬件来下载8051程序代码，但是不利于在设备开发阶段使用。

（2）使用该芯片特有软配置功能，将固件程序存储在计算机中，当该设备接入USB电缆时，由于EZ-USB具有重新枚举的能力，所以在初始化枚举以后，用户只需要通过Cypress公司提供的开发软件USBControlPanel中Download项，就可以将固件载入到控制芯片中。该方法完全是软操作，不需要额外的硬件设备，方便程序的修改调试。

使用USBControlPanel进行固件程序下载的界面如图10.32所示。

图10.32USBControlPanel界面

单击“Download…”按钮，选择“slavefifo.hex”。下载固件成功以后显示如图10.33信息。

图10.33下载固件程序

其中，通过单击“GetPipes”按钮可以查看通道信息。

现在固件程序后，即可进行USB通信测试。

根据不同的程序，选择相应的测试软件，测试USB接口的传输速度。如图10.34所示是RedLogic工作室提供的基于红色飓风II的USB测试软件。

图10.34USB测试软件

10.7.3USB接口通信实例结果

实现FPGA与PC机之间的USB通信，并且在PC机的超级终端上面测试USB的读写速度，如图10.35和图10.36所示。关于EZ-USB的详细内容，可参见工程文件夹中提供的相关文档。

图10.35USB测试结果

图10.36USB测试结果

10.7.4FPGA代码的设计实现

本程序功能是配合CY68013的SlaveFIFO接口时序。它完成接收从主机下传的60KB数据，写入板上SRAM里，然后从板上SRAM中读出，再上传至主机。整个传输过程通过CY68013的SlaveFIFO来交互。

整个程序由一个状态机构成，包括以下状态：

ParameterIDLE=H0,

READ_EVENT=H1,

POINT_TO_OUT_FIFO=H2,

DATA_READY=H3,

READ_INTERVAL=H4,

READ=H5,

READ_END=H6,

WRITE_EVENT=H7,

POINT_TO_IN_FIFO=H8,

WRITE_READY=H9,

WRITE=HA,

WRITE_END=HB;

每个状态的作用描述如下。

·IDLE：整个操作过程（包括读SLAVEFIFO和写SLAVEFIFO）的入口。对相关的寄存器进行初始化，然后转入READ_EVENT状态，开始读SLAVEFIFO操作。

·READ_EVENT：把u_addr[1:0]置为’b00，指向输出FIFO（对应端点6），然后转入POINT_TO_OUT_FIFO状态。

·POINT_TO_OUT_FIFO：判断u_flagc是否为高（u_flagc为高指示输出FIFO为空，即输出FIFO中有数据），如果为高，则启动读过程，把u_sloe置为低，转入DATA_READY状态，第一个16位数据出现在总线上；否则说明输出FIFO中无数据，等待。

·DATA_READY：判断u_flagc是否为高，如果为高，把u_slrd拉低，继续读取下16位数据。同时为把上一16位数据写入SRAM做准备（主要是SRAM的三态总线），同时转入READ状态，否则转入POINT_TO_OUT_FIFO，等待下一次读取过程。

·READ：把上一16位数据写入SRAM，同时把u_slrd拉高，当前16位数据读取结束。判断是否是60KB数据，如果不是，则转入DATA_READY状态，继续读操作；否则转入READ_END状态，读操作结束。

·READ_END：把相关寄存器置为初始态，转入WRITE_EVENT状态，开始写操作。

·POINT_TO_IN_FIFO：为从SRAM中读取数据作准备，转入WRITE_READY状态。

·WRITE_READY：判断u_flagb是否为高（u_flagb为高指示输入FIFO非满），如果为高，则启动写过程，从SRAM中读取数据并送到SLAVEFIFO总线上，把u_lswr置为低，转入WRITE状态；否则说明输入FIFO已满，等待。

·WRITE：把u_slwr置为高，当前数据写入SLAVEFIFO。判断是否是60KB数据，如果不是，则转入WRITE_READY状态，继续写