0 引 言
USB(通用串行總線)是英特爾、微軟、IBM、康柏等公司1994年聯合制定的一種通用串行總線規范，它解決了與網絡通信問題，而且端口擴展性能好、容易使用。最新的USB2.0支持3種速率：低速1.5 Mbit/s，全速12 Mbit/s，高速480 Mbit/s。這3種速率可以滿足目前大部分外設接口的需要。
本文介紹了目前使用較多的USB2.0控制器CY7C68013芯片與FPGA(現場可編程門陣列)芯片接口的Verilog HDL(硬件描述語言)實現。本系統可擴展，完全可用于其他高速數據采集系統中。
1 系統構成
本系統主要是由FPGA和USB2.0控制器CY7C268013組成，系統框圖及其信號連接關系如圖1所示。可以根據實際系統的需要，用FPGA實現預定功能，如數據采集卡、控制硬盤讀寫等。
1.1 控制器CY7C68013
Cypress公司的EZ-USB FX 2是第一個包含USB2.0的集成微控制器，它內部集成了1個增強型的8051、1個智能USB串行接口引擎、1個USB數據收發器、3個8位I/O口、16位地址線、8.5 kB RAM和4 kBFIFO等。增強性8051內核完全與標準8051兼容，而性能可達到標準8051的3倍以上。其框圖如圖2所示。
1.1.1 CY7C68013結構特點
EZ-USB FX2提供了一種獨持架構，使USB接口和應用環境直接共享FIFO，而微控制器可不參與數據傳輸，但允許以FIFO或RAM的方式訪問這些共享FIFO，這種被稱之為"量子FIFO"的處理架構，較好地解決了USB高速模式的帶寬問題。
FX2芯片在數據傳輸時主要利用了4 kB的FIFO，分為7個端點：EPOIN&OUT、EP1IN、EP1OUT、EP2、EP4、EP6和EP8。其中EPO、EPlIN和EP1OUT是3個64 B的緩存，只能被固件訪問，EP0是一個默認的數據輸入輸出端口緩存；EP1IN和EP1OUT是單獨的64 B緩存，呵以配置這些端點為塊傳輸、中斷傳輸或同步傳輸；端點2、4、6、8是大容量高帶寬的數據傳輸端點，可以配置為各種帶寬以滿足實際需要，端點2、4是輸出端點，端點6、8是輸入端點。值得注意的是，端點4、8能配置為每幀512 B，而端點2、6卻能配置為每幀512 B或1 024 B，并可配置為2、3、4級，這樣EP2或EP6最大能配置為4 kB的緩存。
其在內部的傳輸控制是通過full(滿)和empty(空)兩個控制信號來完成的，當full為真時不能再寫數據，當empty為真時不能再對FIFO進行讀，其內部數據傳輸示意圖如圖3所示。
如圖3所示，USB執行OUT傳輸，將EP2端點設成512 B四重FIFO。在USB端和外部接門端都并不知道有四重FIFO。USB端只要有1個FIFO為"半滿"，就可以繼續發送數據。當操作的FIFO寫"滿"時，FX2自動將其轉換到外部接口端，排隊等候讀取；并將USB接口隊列中下一個為"空"的FIFO轉移到USB接口上，供其繼續寫數據。外部接門端與此類似，只要有1個FIFO為"半滿"，就可以繼續讀取數據。當前操作的FIFO讀"空"時，FX2自動將其轉換到USB接口端，排隊等候寫入；并將外部接口隊列中下一個為"滿"的FIFO轉移到外部接口上，供其繼續讀取。
1.1.2 Fx2接口方式
FX2有Slave FIFO和GPIF兩種接口方式。
Slave FIFO是從機方式，即FX的CPU不直接參與USB數據處理，而是簡單地把FX作為USB和外部數據處理邏輯(如ASIC、DSP和IDE(串行接口引擎)控制器)之間的通道，數據流并不經過CPU，而是通過FX的FIFO直接傳輸。FIFO通過外部主機控制，同時，FIFO提供所需的時序信號、握手信號(滿、空等)和輸出使能等。
可編程接口GPIF是主機方式，GPIF作為內部主機控制端點FIFO，其core是一個可編程狀態機，可以生成多達6個控制輸出信號和9個地址輸出信號，能外接6個外部Ready輸入信號和2個內部Ready輸入信號。通過用戶自定義的波形描述符來控制狀態機，使用軟件編程讀寫控制波形，幾乎可以對任何8/16 hit接口的控制器、存儲器和總線進行數據的主動讀寫，非常靈活。
2 接口的Verilog HDL編程實現
在本設計巾采用Slave FIFO從機方式實現FPGA對FX的控制，通過Verilog HDL編程實現。FPGA可以根據實際情況選定。我們在設計時選用Xilinx公司的Virtex-Ⅱ設備(XC2V10004FG456C)。
2.1 異步FIFO讀數據
FX讀數據也就是數據從FX傳到FPGA的過程，其過程如下：
a)反復檢測控制線狀態，當讀事件發生時，即控制線con_out_z=0和RD_disk=10時，轉到 b；
b)分配FIFOADR[1：0]=00，這時FIFO指針會指向輸出端點，表明使用端點EP2；
c)檢查FIFO是否空，當empy=1時表示FIFO不空，轉到狀態d，否則保持在狀態C；
d)賦值SLOE=0，使雙向數據線FD在輸出狀態，采樣FD數據線上的數據，并在SLRD的上升沿使FIFO指針門動加1，跳轉到e；
e)假如有更多的數據需要讀，轉到狀態b，否則轉到狀態a。
對讀數據編程如下：
用Mentor軟件Modelsim進行仿真驗證，其仿真波形如圖4所示。在此過程中，SLRD信號特別重要，在SLRD的下降沿把FlFO中的數據放到FD數據線上；在SLRD的上升沿把FIFO指針加1，并指向下一個單元。
2.2 異步FIFO寫數據
向FIFO寫數據是讀數據的逆過程，也就是把FP-GA數據寫入FX的FIFO，其編程過程如下：
a)查詢控制信號線con_out_z和WR_disk，看是否有讀事件發生，如果有，就轉移到狀態b，否則保持在狀態a；
b)分配FIFOAFR[1：0]=10，FIFO指針指向輸入端點，轉向狀態c；
c)檢查FIFO的滿標志是否為1，假如fuIl=1，表示FIFO不滿，轉到狀態d，否則保持在狀態c；
d)把外部數據indata放在FD上，同時把SLWR拉高，以使得FIFO指針自動加1，然后轉到狀態e；
e)假如有更多的數據要傳輸，轉到狀態b，否則轉到狀態a。
其程序與寫FIFO數據時一樣，只是在生成SLWR信號時，需要注意控制信號之間的保持延時時間約束，這可以通過仿真結果進行適當修改。
讀數據信號仿真波形如圖5所示。但必須注意的是，在SLWR的下降沿把indata數據線上的數據放到FD數據線上；在SLWR的上降沿把FD數據線上的數據放人FIFO，并同時使FIFO指針加1，指向下一個緩存單元。
3 結束語
現在USB2.O控制器CY7C68013已經應用到許多數據傳輸領域，由于此芯片靈活的接口和可編程特性簡化了外部硬件的設計，提高了系統可靠性，也利于PCB(印制電路板)的制作與調試。本設計可擴展性好，因此可用于需要處理大容量的數據采集系統中。本設計已經用于對IDE硬盤的讀寫控制中，實現了對IDE硬盤的快速讀寫。