嵌入式FPGA在USB通信接口硬件設(shè)計中的應(yīng)用

孫芳芳

摘 要 FPGA的嵌入式系統(tǒng)不能缺少通信接口，系統(tǒng)設(shè)有USB的通信接口。對于嵌入式系統(tǒng)設(shè)置了明確的通信要求，因此與之相應(yīng)的通信接口也要符合最基本的通信需要。從基本構(gòu)成來講，嵌入式系統(tǒng)設(shè)有I/O接口、存儲器與CPU等模塊，單片F(xiàn)PGA具備優(yōu)良的集成性能。由此可見，嵌入式系統(tǒng)本身具備靈活升級的優(yōu)勢，同時也更加便于系統(tǒng)擴(kuò)充與裁剪。依照現(xiàn)階段的硬件設(shè)計，F(xiàn)PGA具備豐富的I/O資源，在這其中包含了并行與串行的系統(tǒng)總線設(shè)計。為此對于FPGA的嵌入式系統(tǒng)而言，應(yīng)當(dāng)明確硬件設(shè)計中的通信接口設(shè)計；結(jié)合現(xiàn)階段的系統(tǒng)運(yùn)行狀況，探究可行的完善思路。

【關(guān)鍵詞】嵌入式FPGA USB通信接口 硬件設(shè)計 具體應(yīng)用

近些年來，通信技術(shù)獲得了大幅改進(jìn)，各行業(yè)生產(chǎn)及日常生活都不能缺少通信技術(shù)作為支撐。對于嵌入式系統(tǒng)而言，通信設(shè)計應(yīng)當(dāng)針對特定的要求。USB接口包括了獨(dú)特的硬件設(shè)計，現(xiàn)階段的嵌入式系統(tǒng)有必要改進(jìn)硬件接口的設(shè)計模式。相比來看，單片 FPGA可以集成存儲器、通信接口與CPU，在此基礎(chǔ)上保障了系統(tǒng)的可編程性。因此可以得知，F(xiàn)PGA具備更強(qiáng)的便捷性與靈活性，嵌入式系統(tǒng)適合不同類型的并行總線或者串行總線。設(shè)計人員如果能完善通信接口的嵌入式硬件設(shè)計，就可以符合多種通信芯片對于系統(tǒng)的需求。

1 整體的系統(tǒng)設(shè)計

從基本構(gòu)成的角度看，嵌入式系統(tǒng)包含了外圍器件與主控器件，在這其中的主控CPU設(shè)計為FPGA的形式。對于FPGA構(gòu)成的嵌入式系統(tǒng)而言，USB硬件的通信接口包含了電源模塊、USB與嵌入式模塊的幾部分。具體在設(shè)計時，先要為電源模塊選擇相應(yīng)的電壓，對此可以運(yùn)用DC/DC的系統(tǒng)電源類型。在通電的狀況下，F(xiàn)PGA對于配置芯片進(jìn)行相應(yīng)的加載操作，通過這種方式來保障順利運(yùn)行。初始化驅(qū)動程序之后，就完成了整體的系統(tǒng)框架。

FPGA模塊在投入運(yùn)行后，如果在主機(jī)端插入了USB，那么FPGA就可以接收明確的中斷信息。通過系統(tǒng)配置的方式，嵌入式系統(tǒng)就能識別USB的性能。由此可見，嵌入式系統(tǒng)如果插入了外設(shè)，那么USB接口就能為其提供所需的電能。對于配置文件進(jìn)行加載操作，在初始化的基礎(chǔ)上即可識別插入的USB。在后續(xù)操作中，F(xiàn)IFO可以實(shí)現(xiàn)后期的數(shù)據(jù)傳輸。因此，設(shè)計硬件的通信接口時有必要考慮FPGA的具體特征，從而完善相應(yīng)的設(shè)計。

2 硬件設(shè)計的具體應(yīng)用

2.1 選擇適當(dāng)?shù)腇PGA

FPGA最基本的功能就在于支撐嵌入式的系統(tǒng)，各種類型的FPGA都能為其提供支持。在系統(tǒng)的內(nèi)部，F(xiàn)PGA本身相當(dāng)于系統(tǒng)主控。嵌入式系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含等效邏輯單元與芯片資源，因此符合了接口芯片對其提出的需求，同時也能運(yùn)用于實(shí)時性的信息與數(shù)值處理。近些年來，單片F(xiàn)PGA具備了更強(qiáng)的靈活性，系統(tǒng)設(shè)置了可以靈活擴(kuò)充的接口模塊與存儲器等。此外，系統(tǒng)設(shè)有并行或者串行的通用總線，進(jìn)而在根源上杜絕了通信中斷等不良現(xiàn)象出現(xiàn)，保障了通信的實(shí)效性。

2.2 對于主機(jī)接口進(jìn)行設(shè)計

依照現(xiàn)行的協(xié)議來設(shè)計USB硬件接口，可以省略重復(fù)性的接口資源開發(fā)。從嵌入式系統(tǒng)角度來講，接口芯片可以保證主機(jī)自身的功能得到實(shí)現(xiàn)。對于USB具體在進(jìn)行設(shè)計時，通常選擇SPI作為硬件線路的接口，這是由于SPI接口具有更低的芯片引腳數(shù)目，同時符合了模擬電路或數(shù)字邏輯電路對于系統(tǒng)的需求。USB在進(jìn)行連接或者斷開連接時，系統(tǒng)都設(shè)有可編程的調(diào)控模式。此外，USB的底層協(xié)議可以運(yùn)用接口引擎的方式來實(shí)現(xiàn)處理。

2.3 對于外設(shè)接口進(jìn)行設(shè)計

設(shè)計人員在設(shè)計USB的外設(shè)接口時，也可以選擇不同類型的芯片，以此來構(gòu)建實(shí)時性的接口通訊模式。例如近些年來誕生的FX2具有獨(dú)特的內(nèi)在接口，在最大限度內(nèi)滿足了USB的帶寬需求。FX2設(shè)有智能式的硬件處理，對于開發(fā)時間進(jìn)行了縮短，在保證兼容性的前提下也簡化了整體的系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計外設(shè)接口還可以選擇無縫接口的形式，例如DSP或者FIFO等類型。

3 結(jié)論

在嵌入式系統(tǒng)中，USB的接口設(shè)計應(yīng)當(dāng)構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)的重點(diǎn)。作為設(shè)計人員而言，應(yīng)當(dāng)密切結(jié)合FPGA系統(tǒng)特征來選擇硬件模式，在此前提下描繪明確的框架圖。經(jīng)過改進(jìn)之后，USB的硬件通信模塊具備了更強(qiáng)的通信可靠性，進(jìn)而為系統(tǒng)通信提供了保障。應(yīng)當(dāng)明確的是，設(shè)計通信接口的關(guān)鍵就在于保障優(yōu)良的通信性能，確保系統(tǒng)能獲得實(shí)時性的信息。截至目前，嵌入式系統(tǒng)相關(guān)的硬件接口設(shè)計已經(jīng)獲得了改進(jìn)，然而并沒有實(shí)現(xiàn)完善。未來在技術(shù)實(shí)踐中，技術(shù)人員還需要?dú)w納經(jīng)驗(yàn)，從而提升嵌入式通信系統(tǒng)的實(shí)效性。

參考文獻(xiàn)

[1]袁理.嵌入式FPGA系統(tǒng)USB通信接口硬件設(shè)計[J].南方農(nóng)機(jī)，2015（03）：24-29+34.

[2]王俊雄，黃鉉，劉正義.基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計[J].電子工程師，2016（10）：67-70.