基于嵌入式FPGA系統(tǒng)USB通信接口硬件設(shè)計(jì)

廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司 鄭超捷 郭 洋

與傳統(tǒng)的x86結(jié)構(gòu)CPU系統(tǒng)的通用USB設(shè)計(jì)相比較，嵌入式FPGA系統(tǒng)中的USB接口在使用中具有很好的針對性和專業(yè)性。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，嵌入式FPGA系統(tǒng)更加趨向于集成化發(fā)展，在單片F(xiàn)PGA系統(tǒng)中具備系統(tǒng)需要最基本的CPU和存儲器，為了完成整個系統(tǒng)需要的功能需求，還需要在系統(tǒng)內(nèi)集成各種工程模塊和接口。通過系統(tǒng)和模塊的協(xié)調(diào)配合，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可編程性。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用，能夠比較便利的完成擴(kuò)充以及升級等多種功能，而且在設(shè)計(jì)過程中還表現(xiàn)出良好的靈活性。由于，在FPGA系統(tǒng)中的I/O資源豐富，所以在應(yīng)用的過程中可以設(shè)置成各種串行總線、并行總線，在傳輸速度方面可以通過PLL配置，實(shí)際應(yīng)用中能夠表現(xiàn)出良好的USB接口芯片適用性。

1.整體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)成不僅包括了外圍器件，而且還包括了最主要的主控器件，目前的CPU設(shè)計(jì)形式還是較多的，本文將對FPGA形式進(jìn)行分析和研究。對于FPGA系統(tǒng)而言，除了最基本的主控器件，還要配備電源模塊，也包括了USB模塊，除此之外就是嵌入式模塊。

所以，要進(jìn)行嵌入式嵌入式FPGA系統(tǒng)USB通信接口硬件設(shè)計(jì)，首先要選擇合適的電壓，來設(shè)計(jì)合理的電源模塊，最常用的就是DC/DC的系統(tǒng)電源。在通電之后，F(xiàn)PGA會根據(jù)系統(tǒng)要求進(jìn)行相關(guān)的操作，完成對配制芯片的加載，最終才能完成整個系統(tǒng)的功能。整個系統(tǒng)的構(gòu)架，也需要初始化驅(qū)動程序的驅(qū)動，在系統(tǒng)開始使用之后，如果將USB插入主機(jī)，F(xiàn)PGA可以接收顯式中斷信息。最終通過系統(tǒng)的處理，使得系統(tǒng)在接下來可以準(zhǔn)確識別出USB。如果在使用中，將嵌入式系統(tǒng)插入外圍設(shè)備，則USB的功能就變成了電源供應(yīng)作用，所以在使用中要實(shí)現(xiàn)配置文件的加載，可以首先根據(jù)系統(tǒng)的初始化識別的基礎(chǔ)上，通過FIFO來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。

因此，在嵌入式系統(tǒng)的通信接口的設(shè)計(jì)過程中，不僅要考量系統(tǒng)的整體功能要求，而且需要綜合考慮FPGA系統(tǒng)的特點(diǎn)。

2.FPGA及USB主機(jī)/外設(shè)接口芯片選擇

2.1 系統(tǒng)硬件總體框圖

作為嵌入式系統(tǒng)，F(xiàn)PGA只是主控制CPU，需要SDRAM、nor flash等外圍設(shè)備才能正常工作。基于嵌入式FPGA的USB通信接口系統(tǒng)硬件由嵌入式FPGA模塊、USB模塊和電源模塊組成，其總體框圖如圖1所示。

通過上圖的硬件框圖也可以看出，F(xiàn)PGA系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)，需要借助配制芯片，只有借助配置芯片才能完成Nios II軟核的加載，在此基礎(chǔ)上保證系統(tǒng)在SDRAM中運(yùn)行，該過程需要UC / OS - II操作系統(tǒng)的加載。在完成系統(tǒng)和程序的加載之后，此時如果有USB設(shè)備插入主機(jī)，將會中斷通知max 3421 FPGA。一旦FPGA系統(tǒng)中斷，此時的識別工作承擔(dān)者將改變，將由max 3421實(shí)現(xiàn)。此時，max 3421通過配置來輔助系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)的操作。如果外圍設(shè)備插入的時候，USB的功能主要是完成外圍設(shè)備的供電，然后借助配制文件的加載，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部寄存器的初始化。此時，設(shè)備能夠正確、明確地識別出后續(xù)的數(shù)據(jù)，其傳輸是通過內(nèi)部的FIFO操作完成的。

圖1 系統(tǒng)總體硬件框圖

2.2 FPGA的選擇

一般而言，支持嵌入式系統(tǒng)的FPGA都滿足要求。例如Altera公司的FPGA系列中，Cyclone系列及以上的FPGA系列都支持Nios II嵌入式CPU，都可以作為系統(tǒng)的主控CPU。

2.3 USB主機(jī)接p芯片

USB2.0是已經(jīng)設(shè)置好的標(biāo)準(zhǔn)，因此不需要重復(fù)設(shè)計(jì)。在嵌入式模式中，經(jīng)常使用USB主機(jī)芯片完成主機(jī)所需要的功能?？梢越Y(jié)合MAXIM公司的MAX3421接口芯片實(shí)現(xiàn)USB2.0所需要的功能。

2.4 USB外設(shè)接口芯片

USB的外置接口芯片較多，但是既要保證外設(shè)功能的良好運(yùn)行，還要保證良好的速度，這對于外設(shè)接口芯片的要求就更高了。所以，能夠滿足要求的芯片有很大的限制，具有代表性的像CPRESS公司的EZ-USBFX2系列。可以使用CPRESS公司的Cy7c68013芯片作為高速USB外設(shè)的接口芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳遞。

FPGA通過FX2實(shí)現(xiàn)USB2.0接口和通訊主機(jī)之間連接，它能從本質(zhì)上帶來Slave FIFO主控制器所需要的模塊。所以可以依據(jù)Slave FIFO所需要的傳輸方式進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)X2內(nèi)嵌的8051部件僅僅作為Slave FIFO存在的寄存器同時控制FX2的運(yùn)行。一旦相關(guān)的寄存器完成配置，F(xiàn)PGA根據(jù)Slave FIFO傳遞的信息，能夠?qū)崿F(xiàn)通訊，然而實(shí)際通訊中8051這一模塊并不參與其中。

3.硬件設(shè)計(jì)的具體應(yīng)用

3.1 選擇適當(dāng)?shù)腇PGA

FPGA的最基礎(chǔ)的功能是能夠支持嵌入式模式，不同種類的FPGA都有助于完善系統(tǒng)。系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)PGA是系統(tǒng)的重心。

嵌入式模式應(yīng)該同時含有等效邏輯單元以及芯片資源，所以能夠滿足接口芯片的基本要求，與此同時也可以通過對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理完成數(shù)據(jù)的實(shí)時性分析。最近，單片F(xiàn)PGA較傳統(tǒng)的模式而言具有更好的靈活性，系統(tǒng)配有能夠幫助接口組塊和儲存器實(shí)現(xiàn)信息處理的模塊。同時，系統(tǒng)也含有能夠并聯(lián)或串聯(lián)的通用線路，從而在根本上解決了通信中斷等情況，進(jìn)而保證了通信的連續(xù)性。

3.2 對于主機(jī)接口進(jìn)行設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)USB硬件的接口，在設(shè)計(jì)過程中對相同重復(fù)的接口設(shè)計(jì)一個即可。對于嵌入式系統(tǒng)，接口的芯片能夠幫助實(shí)現(xiàn)主機(jī)需要的功能。USB在設(shè)計(jì)時，主要使用SPI當(dāng)做硬件線路的接口。這主要是由于SPI接口在設(shè)計(jì)上的芯片引腳數(shù)目相比較其他的接口更少，就會使得接口能夠很好的適用于模擬電路或數(shù)字邏輯電路。SPI接口的使用能夠很好的輔助系統(tǒng)完成USB的連接或者斷開時的識別。除此之外，USB的底層需求能夠使用接口引擎來完成連接。

3.3 對于外設(shè)接口進(jìn)行設(shè)計(jì)

工作人員在對USB外接口進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)時，可以從不同角度出發(fā)，選用不同種類的芯片，進(jìn)而設(shè)計(jì)出具有實(shí)時性的通訊設(shè)備的接口。正如最近幾年設(shè)計(jì)的FX2存在不同于傳統(tǒng)接口的內(nèi)接口，極大程度的滿足USB對于帶寬的要求。FX2配有全智能的硬件處理功能，能夠減少設(shè)計(jì)研發(fā)過程所需要的時間，在具有良好的兼容性的同時也使得整個設(shè)計(jì)得到了簡化。設(shè)計(jì)外設(shè)接口也可以使用無縫接口，正如DSP或FIFO等。

4.結(jié)論

在嵌入式結(jié)構(gòu)中，接口是該結(jié)構(gòu)中的最重要的部分。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該借助FPGA系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行屁哦誒硬件，在此基礎(chǔ)上準(zhǔn)確的繪制整體框架圖。通過一系列的設(shè)計(jì)完善后，USB的硬件組塊就具有了更高的安全性，從而使得系統(tǒng)的通信安全得到了提升。在這里需要強(qiáng)調(diào)的是，設(shè)計(jì)通信接口的重點(diǎn)是保證完備的通信能力，進(jìn)而為通信設(shè)備獲得即時的信息提供保障。到目前為止，嵌入式系統(tǒng)的有關(guān)硬件接口的改進(jìn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了巨大的進(jìn)步，但是并沒有到達(dá)終點(diǎn)。在將來，相關(guān)工作人員還可以從自身經(jīng)驗(yàn)出發(fā)提高通信系統(tǒng)的時效性。