基于FPGA的嵌入式系統USB接口設計

楊志坤，曾 博，湯國文

（電子科技大學 電子工程學院，四川 成都 611731）

通用串行總線USB（Universal Serial Bus）是應用于 PC領域的接口技術，已得到廣泛應用。USB2.0已成為目前電腦中的標準擴展接口[1]。本系統設計的目的在于為公共交換電話網絡（PSTN）和PC機之間提供一個數字接口，設計中PC機是主機，基于FPGA的嵌入式系統是USB設備。該系統是IPPBX的簡化系統，大量工作由PC的服務器完成，而這里重點介紹以FPGA為控制核心的USB接口設計。

1 系統結構設計

該系統通過 TRM （Telephone Response Module）和PC服務器實現PSTN網絡和Internet網絡之間自由、高效通話。圖1為整個系統結構示意圖。

圖1 系統結構示意圖

系統工作過程：當有來電時，DAA向FPGA申請中斷。FPGA收到中斷后，使用USB的中斷傳輸向主機報告有外接來電，則PC的應用軟件會提示用戶選擇摘機或拒絕。摘機后，FPGA在接收到命令后就會接通電話，然后語音數據通過USB的同步傳輸進行雙向傳送。當用戶向外撥號時，其過程與來電時的情況是相同的。

2 系統硬件模塊設計

2.1 系統硬件框圖

本設計采用FPGA作為核心控制器件[2]，其控制對象是USB2.0接口器件EZ-USB FX2 CY7C68013A-56。圖2為EZUSB器件工作在Slave FIFO模式下時FX2 USB和FPGA的典型電路連接圖。

圖2 系統硬件電路連接

2.2 FPGA和USB簡介

設計中的核心控制器件FPGA選用Altrea公司的EP2C8Q208C8，而USB設備器件則選用Cypress公司的CY7C68013A-56。EP2C8Q208C8是 Altera Cyclone II系列器件中的一種，Cyclone II FPGA是基于Stratix II的90 nm工藝生產的低成本FPGA。Cyclone II FPGA的應用主要定位在終端市場，如消費類電子、計算機、工業和汽車等領域。EP2C8Q208C8內部有2個鎖相環（PLL）和8個全局時鐘網絡，8 256個邏輯單元（LE）個，36個 M4K RAM，18個乘法器模塊，可用I/O數138個[3]。EP2C8Q208C8具有低成本、高性能、低功耗和對IP-PBX系統的可擴展性（足夠多的I/O接口）的優點，因此這里選擇該器件作為系統的控制器件。

CY7C68013A-56器件是第1個包含USB2.0的集成微控制器，其內部集成有1個增強型的8051，1個智能USB串行接口引擎（SIE），1個USB數據收發器，3個8位I/O、16位地址線、8.5 KB RAM和4 KB的FIFO等。增強型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[4]。圖3為CY7C68013A-56的結構框圖。

圖3 CY7C68013A-56結構框圖

CY7C68013A器件在數據傳輸時利用4 KB的FIFO，包含 7 個 端 點 ：EP0IN/OUT，EP1IN，EP1OUT，EP2，EP4，EP6，EP8。其中EP0、EP1IN和EP1OUT是3個64 B的緩沖端點，只能被固件訪問，EP0是默認的數據輸入輸出端口緩存，默認工作于控制傳輸，EP1IN和EP1OUT是獨立的64 B緩存，可以配置成塊傳輸、中斷傳輸或同步傳輸。端點2、4、6、8是大容量高寬帶的數據傳輸端點，可配置為各種帶寬以滿足實際需求。端點2、6能配置成每幀成512 B或1 024 B，并可配置為 2、3、4級，則 EP2，EP6最大能被配置為 4 KB的緩存；端點4、8則能配置為每幀512 B的緩存。

3 系統軟件設計

3.1 USB Firmware設計

由于設計中使用FPGA控制USB設備進行語音電話通信，所以在USB部分使用3種USB傳輸模式：控制傳輸、中斷傳輸、等時傳輸。控制傳輸用于實現設備枚舉主機的標準請求以及廠商自定義請求；中斷傳輸用于實現設備對主機的喚醒，是唯一的設備主動向主機發送數據的傳輸方式；等時傳輸用于實現語音數據的雙向同步傳輸。USB Firmware設計重點是語音的通信段。

CY7C68013A具有 PORTS、Slave FIFO、GPIF共 3種工作模式。PORTS模式是最基本的數據傳輸方式，其數據傳輸需CPU直接參與，適于傳輸速率要求不高的場合；GPIF模式是主機方式，內部主機控制端點FIFO；Slave FIFO模式是從機方式，外部控制器，如FPGA、DSP。應用中使用異步FIFO方式，采用內部48 MHz時鐘，自動方式，而固件程序的編寫則以Cypress公司提供的固件程序框架為基礎，在其初始化函數中添加自己的配置代碼。

在整個系統中，CY7C68013A的固件主要完成以下工作：初始化USB器件；作為USB接口與主機通信并傳輸數據；利用CY7C68013A器件的Slave FIFO接口控制USB器件和外部控制器之間的數據傳輸。因此固件主程序比較復雜，除了上面的TD_Init（）初始化外，還需要大量函數，但基本結構相對簡單，包括3個過程：USB控制器的初始化；主函數，包括處理標準設備請求的代碼；中斷處理，包括處理各種中斷的程序代碼。圖4為固件主程序流程。

圖4 固件程序流程

3.2 USB驅動程序

USB系統軟件由主機中的軟件和設備固件構成。USB主機中的軟件主要包括USB設備驅動（USBDD）、USB總線驅動（USBD）和 USB 主控制器驅動（HCD）[5]。

USB設備驅動程序（或客戶驅動程序）處于最頂層，它支持特定設備類的驅動，負責與其對應的USB設備進行通信和讀寫控制，實現各個USB設備特殊的功能應用。連接USB設備的每種類型的功能單元都必須具有客戶驅動程序。客戶驅動程序把USB設備看作是一個可被訪問的端點的集合，USB設備可以被控制并與其功能單元通信。USB設備驅動程序通過I/O請求包（IRP）向USB總線驅動程序發送請求。這些請求包將一個給定的傳輸初始化。這種傳輸可以來自于一個USB目標設備或發送到USB設備。

USB總線驅動（USBD）是在主機控制器驅動和USB設備驅動之間的模塊，它對應 USB協議的USBD，在 Windows系統中由USBD.SYS模塊提供，它是在某一操作系統上對USB總線和協議提供支持的軟件，獨立于USB設備和USB設備驅動，并對它們進行控制和提供統一編程接口。

USB主控制器驅動程序（HCD）處于最底層，它負責對主機控制器進行抽象和對USB提供低級支持。

3.3 PC端的軟件設計

PC端的軟件設計采用面向對象程序設計，分為核心類（包括 Provider,Data，Net）和 應用類（包括 UI，Call，Record）。其中核心類提供對硬件、操作系統和網絡環境的支持，應用類在核心類的基礎上提供對用戶操作的支持。Provider類定義對USB設備的讀寫操作，提供讀取數據方法（readusb（））和寫數據方法（writeusb（））；Data 類包括地址數據（Address）、音頻數據（Audio）和控制數據（Command）的定義，并提供數據的分解方法（Decompose（））和組合方法（Compose（））；Net類提供對網絡的支持，包括網絡協議的選擇和數據的接收與發送。UI類提供對用戶界面的支持，包括窗口、對話框等，實現基本用戶框架與應用入口；Call類提供通話功能；Record類則提供電話錄音功能；根據不同應用要求，可擴展其他應用類。具體結構如圖5所示。

圖5 PC服務器端軟件框圖

4 結束語

USB靈活的接口和可編程特性可簡化外部硬件的設計，提高系統可靠性[6]。而USB2.0控制器CY7C68013A也廣泛應用于許多數據傳輸領域。FPGA已成為通信、計算機、消費類電子產品等領域的基礎器件。這里所介紹的USB設備就是一個基于FPGA的嵌入式系統，該系統軟硬件都具有模塊化的特性，易于改造成其他應用場合的語音控制系統 （DAA除外）。該設計的應用可節省大量的人力、物力，具有較大的推廣意義和使用價值。

[1]張念淮，江 浩.USB總線接口開發指南[M].北京:國防工業出版社，2001.

[2]譚安菊，龔 彬.USB2.0控制器CY7C68013與FPGA接口的 VerilogHDL 實現[J].電子工程師，2007，33（7）:52-55.

[3]王 誠，吳繼華，范麗珍，等.Altera FPGA/CPLD設計基礎篇[M].北京:人民郵電出版社，2005.

[4]錢 峰.EZ-USB FX2單片機原理、編程及應用[M].北京:北京航空工業出版社，2006.

[5]Chris Cant.Windows WDM設備驅動程序開發指南[M].北京:機械工業出版社，2001.

[6]蔣金濤，楊 鳴.USB2.0控制器EZ-USB FX2的性能特點及其數據傳輸實現[J].計算機工程與應用研究,2005,41（11）:94-96.