USB基本知识

 

1. 概念：USB是一种通用串行总线。

 

1. USB系统：一定是由一个PC和外围设备组成。外设称为USB设备，PC为主机。主机里有USB主控制器，负责完成主机和USB设备之间的物理数据传输。USB主控制器分为两种，具体哪两种这与FPGA开发无关，在此不细说。USB设备分为集线器和功能设备两种，集线器可以让一个USB端口连接多个设备。功能设备指的是功能性的设备，例如鼠标键盘。

 

1. USB信号线：一共四根线，两根差分NRZI编码线。两根电源线，电压5V,最大电流100mA，500mA。

 

1. USB事务处理：主机和USB设备之间的数据传输最基本的单位。它是有特定格式的信息包。主机和USB设备之间的通讯需要多个事务处理包才能完成。

 

1. USB的传输类型：控制传输、批量传输、中断传输、同步传输。具体如下表。

同时，USB接口和FPGA的通讯大都采用的是68013芯片的FIFO模式。根据FIFO的传输特性，满足大量、速度恒定、有周期性的要求，所以应该是同步传输模式。这种通讯类型等特性的选择可以通过固件配置。

 

1. USB的描述符：这个东西的定义晦涩难懂，对于FPGAer来说，把它看成了用来定义USB各个性能参数的寄存器。

 

1. USB的设备请求：大概定义了USB各类请求格式。对于FPGAer而言，依旧不知道它干啥的，应该也不用知道。

 

 

 

CY7C68013芯片

 

1. 简介：他是第一款支持USB2.0协议的微处理器。支持12Mb/s全速传输(即USB0)和480Mb/s(即USB2.0)高速传输。上文提到的四个传输类型该芯片都支持，但是和FPGA通讯所采用的FIFO模式，是其中的同步传输模式。具体框架如下图：

 

 

大概的接口图如下：

 

1. 显著特点：

1. USB单芯片解决方案，集成了USB2.0，串行接口引擎，和增强型51内核。
2. 可以软件配置RAM（即配置固件），方式多种：USB口下载、E2PROM（有专门的烧写软件）、或者外围的存储（只限于部分封装）。
3. 可编程GPIF。
4. 集成的81内核。
5. 智能串行接口引擎。
6. 中断矢量
7. I2C接口
8. 4个集成的FIFO轻松和外部FPGA/DSP等连接

 

 

1. FIFO模式

该模式是与FPGA/DSP等芯片连接的一种常见模式。之前版本的USB芯片，微处理器（51内核的）都要参与数据的处理。在速率不高的时候，12Mb/s全速传输模式下没有问题，但是到了480Mb/s的时候，微处理器就成为了瓶颈。

而此版本的68013直接解除了微处理器对数据处理的干预。

68013的通讯类型等特性可以通过固件配置。根据FIFO的传输特性，满足大量、速度恒定、有周期性的要求，所以应该是同步传输模式。

 

最高是96MByte/s。以8bit为例，则传输速率是96Mhz，一共四个FIFO，可以同时工作，所以fifo最高速率是24Mhz。（FPGA和FIFO的通讯同时只能和一个fifo）

 

 

1. 增强型8051核

画重点：外接24Mhz,内部分频，产生480MHZ供USB2.0使用。（疑问：这里的480MH的时钟就是为上文中480Mb/s高速传输模式提供的源吗）

     8051的内存：由下图而知，从下至上主要分为了8K的主RAM(地址0000·1FFF)，用于缓存代码和数据，同时这部分的内存可以通过EA角进行外扩内存。（地址E000·E1FF)作为临时RAM,不能跑程序。（地址E400·E47F)用于存储GPIF的波形。（地址E600·E6FF)用于保存控制状态寄存器。（地址E740·E7FF)和（F000-FFFF）都是用于数据缓冲的内存。分别称之为端点0/1/2/4/6/8。 其中端点0和端点1仅能由固件程序访问。2/4/6/8端点是FIFO的空间。

对于FPGA开发者而言，唯一需要了解的是，FIFO模式下读写的数据（端点2/4/6/8）缓存的地方其实就是8051的内存区F000-FFFF。

 

 

1. IO系统：IO功能分为了三类，第一类就是普通的IO口，第二类就是FIFO模式下的数据读写口，第三类是GPIF接口。

 

 

 

Slave FIFO模式调试（USB设备为FPGA）

• 1.基本要素：虽然基于FX2（68013）芯片的设备可以直接使用FX2的内核8051传输数据，但是大部分环境下，还是将FX2用做USB和外部逻辑芯片（DSP或者ASIC等）的一种连接通道。

USB数据通过可以通过FX2的内置FIFO让数据在主设备（PC）和逻辑设备(FPGA)间传输。

GPIF和slave fifo模式其实都是属于FX2芯片的fifo模式。

对于那些逻辑芯片里没有标准fifo接口的，FX2里面内置的GPIF可以作为主控，在这种模式下（GPIF模式下）我们称之为主fifo模式，FX2本身就是FIFO的主控设备。当FIFO被外部的设备控制时（外部设备主控），例如，和FPGA相连，就是处在Slave FIFO模式。

Slave FIFO模式下，包括了四个FIFO。他们能够工作在16位和8位模式。大概的系统框图如下：

其中硬件配置涉及的部分寄存器如下：

• 2.引脚：

FX2的复位只能在普通的IO模式下进行,在fifo模式下是不可以进行复位的，所以你看在slave模式下是没有复位信号的。

如果想把芯片配置到SLAVE fifo模式下，需要对IFCONFIG 这个寄存器进行设置，fifo和外部主控的信号连线如下图：

SLOE:FD数据信号是双向的，可以通过SLOE信号线进行选择。低有效。

FIFOADR:选择哪一个FIFO挂到FD总线上。低有效。

SLRD、SLWR:读写信号。分为了同步和异步两种模式。低有效。

FD:总线。可以配置为8bit和16bit模式。8模式下，用的是PORT B。16模式下，用的是PORT B和 PORT D。（PORT的概念可以去FX2手册中找）。上电默认是16位模式。其中，如果改成8位模式的时候，PORT D可以作为普通IO使用。

IFCLK:可以使用内部时候和外部时钟。内部时钟的时候，时钟频率30/48可以选择。外部时钟的时候，5到48MHZ时钟可以调整。上电默认是内部时钟48MHZ。

FLAG(FLAGA, FLAGB, FLAGC, FLAGD):这些信号主要用于监测FIFO状态，具体功能可以配置。FLAGA, FLAGB, and FLAGC 这些都可以工作在indexed和fixed两个模式。FLAGD 只能工作在FIXED模式。

Indexed模式下，flag只能显示所选择的fifo的状态，FLAGA/B/C分别代表“programmable-level” ，full,empty。Fixed模式下，flag显示特定fifo的状态，而无论是否选择了该FIFO。full,empty默认是低有效，也可以用寄存器进行配置。

上电默认是Indexed模式。

FIFOADR:选择哪一个FIFO。

PKTEND:无论设置的数据长度是多少，有效该信号则代表数据传输的结束。一般用于长度比较短的数据。例如，如果通过寄存器设置的数据长度是512byte.当一次传输的数据长度短于512时，由于数据低于设置的长度，一般主控有两个方法让数据发送。一个就是发送虚拟的数据满足最终的长度。或者有效PKTEND脚，这样就能直接写短长度的数据。

SLCS:FIFO选通信号。该信号有效，则所有控制才有效。

 

 

 

3.时序

引脚的控制时序：控制管脚主要是SLOE(输出使能)，SLED(读使能)，SLWR(写使能)，PKTEND(包尾)，FIFOADR(FIFO选择)。这里的读写都是以外部的主设备角度讲的。

读时序：SLOE使能FD总线脚。 同步模式，SLRD在时钟上升沿有效，SLRD有效同时FIFO计数加一个。异步模式则在SLRD变化时有效。他们默认都是低有效。

写时序：同步模式，SLWR上升沿有效。默认都是低有效。

 

写案例：

典型写过程（相对于主机）：

 

典型读过程（相对于主机）：

 

注意：读过程比写过程多了对SLOE信号的使能。

异步时序暂时不做讨论。可以参照官方文档。

 

 

 

调试记录

（读）：

（写）：

 

Rd和oe的关系：按照官方推荐sloe是需要提前slrd有效的

 

 

主要的参考资料：

1.《USB+FPGA开发文档》（某开发板资料）

2.《FX2开发手册》官方手册

3.《GPIF开发手册》本文中未做参考，有需要的可以看看

 

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