基于嵌入式FPGA系統USB通信接口硬件設計

廣州海格通信集團股份有限公司 鄭超捷 郭 洋

與傳統的x86結構CPU系統的通用USB設計相比較，嵌入式FPGA系統中的USB接口在使用中具有很好的針對性和專業性。在系統設計中，嵌入式FPGA系統更加趨向于集成化發展，在單片FPGA系統中具備系統需要最基本的CPU和存儲器，為了完成整個系統需要的功能需求，還需要在系統內集成各種工程模塊和接口。通過系統和模塊的協調配合，才能實現系統的可編程性。該系統的設計和使用，能夠比較便利的完成擴充以及升級等多種功能，而且在設計過程中還表現出良好的靈活性。由于，在FPGA系統中的I/O資源豐富，所以在應用的過程中可以設置成各種串行總線、并行總線，在傳輸速度方面可以通過PLL配置，實際應用中能夠表現出良好的USB接口芯片適用性。

1.整體的系統設計

嵌入式系統的構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設計形式還是較多的，本文將對FPGA形式進行分析和研究。對于FPGA系統而言，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，要進行嵌入式嵌入式FPGA系統USB通信接口硬件設計，首先要選擇合適的電壓，來設計合理的電源模塊，最常用的就是DC/DC的系統電源。在通電之后，FPGA會根據系統要求進行相關的操作，完成對配制芯片的加載，最終才能完成整個系統的功能。整個系統的構架，也需要初始化驅動程序的驅動，在系統開始使用之后，如果將USB插入主機，FPGA可以接收顯式中斷信息。最終通過系統的處理，使得系統在接下來可以準確識別出USB。如果在使用中，將嵌入式系統插入外圍設備，則USB的功能就變成了電源供應作用，所以在使用中要實現配置文件的加載，可以首先根據系統的初始化識別的基礎上，通過FIFO來實現系統的數據傳輸。

因此，在嵌入式系統的通信接口的設計過程中，不僅要考量系統的整體功能要求，而且需要綜合考慮FPGA系統的特點。

2.FPGA及USB主機/外設接口芯片選擇

2.1 系統硬件總體框圖

作為嵌入式系統，FPGA只是主控制CPU，需要SDRAM、nor flash等外圍設備才能正常工作。基于嵌入式FPGA的USB通信接口系統硬件由嵌入式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，FPGA系統的功能實現，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，在此基礎上保證系統在SDRAM中運行，該過程需要UC / OS - II操作系統的加載。在完成系統和程序的加載之后，此時如果有USB設備插入主機，將會中斷通知max 3421 FPGA。一旦FPGA系統中斷，此時的識別工作承擔者將改變，將由max 3421實現。此時，max 3421通過配置來輔助系統進行后續的操作。如果外圍設備插入的時候，USB的功能主要是完成外圍設備的供電，然后借助配制文件的加載，實現內部寄存器的初始化。此時，設備能夠正確、明確地識別出后續的數據，其傳輸是通過內部的FIFO操作完成的。

圖1 系統總體硬件框圖

2.2 FPGA的選擇

一般而言，支持嵌入式系統的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，都可以作為系統的主控CPU。

2.3 USB主機接p芯片

USB2.0是已經設置好的標準，因此不需要重復設計。在嵌入式模式中，經常使用USB主機芯片完成主機所需要的功能。可以結合MAXIM公司的MAX3421接口芯片實現USB2.0所需要的功能。

2.4 USB外設接口芯片

USB的外置接口芯片較多，但是既要保證外設功能的良好運行，還要保證良好的速度，這對于外設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外設的接口芯片，實現數據的高速傳遞。

FPGA通過FX2實現USB2.0接口和通訊主機之間連接，它能從本質上帶來Slave FIFO主控制器所需要的模塊。所以可以依據Slave FIFO所需要的傳輸方式進行分析設計，在此基礎上，FX2內嵌的8051部件僅僅作為Slave FIFO存在的寄存器同時控制FX2的運行。一旦相關的寄存器完成配置，FPGA根據Slave FIFO傳遞的信息，能夠實現通訊，然而實際通訊中8051這一模塊并不參與其中。

3.硬件設計的具體應用

3.1 選擇適當的FPGA

FPGA的最基礎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。系統的內部結構中，FPGA是系統的重心。

嵌入式模式應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有數據進行處理完成數據的實時性分析。最近，單片FPGA較傳統的模式而言具有更好的靈活性，系統配有能夠幫助接口組塊和儲存器實現信息處理的模塊。同時，系統也含有能夠并聯或串聯的通用線路，從而在根本上解決了通信中斷等情況，進而保證了通信的連續性。

3.2 對于主機接口進行設計

根據現階段的設計要求設計USB硬件的接口，在設計過程中對相同重復的接口設計一個即可。對于嵌入式系統，接口的芯片能夠幫助實現主機需要的功能。USB在設計時，主要使用SPI當做硬件線路的接口。這主要是由于SPI接口在設計上的芯片引腳數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字邏輯電路。SPI接口的使用能夠很好的輔助系統完成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 對于外設接口進行設計

工作人員在對USB外接口進行設計改進時，可以從不同角度出發，選用不同種類的芯片，進而設計出具有實時性的通訊設備的接口。正如最近幾年設計的FX2存在不同于傳統接口的內接口，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，能夠減少設計研發過程所需要的時間，在具有良好的兼容性的同時也使得整個設計得到了簡化。設計外設接口也可以使用無縫接口，正如DSP或FIFO等。

4.結論

在嵌入式結構中，接口是該結構中的最重要的部分。設計人員應該借助FPGA系統的特點進行屁哦誒硬件，在此基礎上準確的繪制整體框架圖。通過一系列的設計完善后，USB的硬件組塊就具有了更高的安全性，從而使得系統的通信安全得到了提升。在這里需要強調的是，設計通信接口的重點是保證完備的通信能力，進而為通信設備獲得即時的信息提供保障。到目前為止，嵌入式系統的有關硬件接口的改進已經實現了巨大的進步，但是并沒有到達終點。在將來，相關工作人員還可以從自身經驗出發提高通信系統的時效性。