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

　　本系統(tǒng)設(shè)計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。

　　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

　　與FPGA相比，USB3.0接口是一個高速的接收單元。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)計的數(shù)據(jù)是保存在計算機(jī)上，由于各計算機(jī)的硬件配置可能會不一樣， 我們設(shè)計了DDR2虛擬FIFO模塊來進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存，為批量傳輸時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

　　與USB2.0不同的是，USB3.0在與計算機(jī)通訊時，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+/-，從而可以真正的實現(xiàn)全雙工。同時，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

　　FPGA是整個系統(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，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)的時序圖。由于讀寫最大包為1024字節(jié)，所以實際每一包傳輸需要256個周期。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)計算機(jī)向FPGA發(fā)出讀命令時，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)計數(shù)，發(fā)送一個周期后，自動清零。

　　批量（bulk）傳輸時的最大包大小為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核實現(xiàn)，按照DDR2芯片MT47H64M16HR來設(shè)定控制器的時序參數(shù)，控制器根據(jù)這些參數(shù)值生成滿足MT47H64M16HR時序的接口，再由DDR2模塊進(jìn)行讀寫控制。

　　3.4 應(yīng)用程序的設(shè)計

　　應(yīng)用程序由VC++編寫，利用與設(shè)備驅(qū)動關(guān)聯(lián)的API與設(shè)備聯(lián)系。CYPRESS公司提供了完整的API庫，配合使用其提供的通用驅(qū)動程序，可以便利地調(diào)用控制USB設(shè)備。應(yīng)用程序的主要功能是發(fā)送命令，并將USB輸入數(shù)據(jù)保存下來，程序主要界面如圖6所示。

　　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，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選項中選擇Bulk in endpoint端點（Bulk Out對應(yīng)的是PC機(jī)向FPGA寫數(shù)據(jù)）。由于批量傳輸時的最大包為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)過一段時間的速度測試，23704個成功包，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時報錯。

　　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，同時會產(chǎn)生一組有規(guī)律的測試數(shù)據(jù)，并傳送給CYUSB3014，F(xiàn)PGA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)時正確的，沒有發(fā)生丟數(shù)錯數(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。