基于FPGA的嵌入式系统USB接口设计

杨志坤，曾 博，汤国文

（电子科技大学 电子工程学院，四川 成都 611731）

通用串行总线USB（Universal Serial Bus）是应用于 PC领域的接口技术，已得到广泛应用。USB2.0已成为目前电脑中的标准扩展接口[1]。本系统设计的目的在于为公共交换电话网络（PSTN）和PC机之间提供一个数字接口，设计中PC机是主机，基于FPGA的嵌入式系统是USB设备。该系统是IPPBX的简化系统，大量工作由PC的服务器完成，而这里重点介绍以FPGA为控制核心的USB接口设计。

1 系统结构设计

该系统通过 TRM （Telephone Response Module）和PC服务器实现PSTN网络和Internet网络之间自由、高效通话。图1为整个系统结构示意图。

图1 系统结构示意图

系统工作过程：当有来电时，DAA向FPGA申请中断。FPGA收到中断后，使用USB的中断传输向主机报告有外接来电，则PC的应用软件会提示用户选择摘机或拒绝。摘机后，FPGA在接收到命令后就会接通电话，然后语音数据通过USB的同步传输进行双向传送。当用户向外拨号时，其过程与来电时的情况是相同的。

2 系统硬件模块设计

2.1 系统硬件框图

本设计采用FPGA作为核心控制器件[2]，其控制对象是USB2.0接口器件EZ-USB FX2 CY7C68013A-56。图2为EZUSB器件工作在Slave FIFO模式下时FX2 USB和FPGA的典型电路连接图。

图2 系统硬件电路连接

2.2 FPGA和USB简介

设计中的核心控制器件FPGA选用Altrea公司的EP2C8Q208C8，而USB设备器件则选用Cypress公司的CY7C68013A-56。EP2C8Q208C8是 Altera Cyclone II系列器件中的一种，Cyclone II FPGA是基于Stratix II的90 nm工艺生产的低成本FPGA。Cyclone II FPGA的应用主要定位在终端市场，如消费类电子、计算机、工业和汽车等领域。EP2C8Q208C8内部有2个锁相环（PLL）和8个全局时钟网络，8 256个逻辑单元（LE）个，36个 M4K RAM，18个乘法器模块，可用I/O数138个[3]。EP2C8Q208C8具有低成本、高性能、低功耗和对IP-PBX系统的可扩展性（足够多的I/O接口）的优点，因此这里选择该器件作为系统的控制器件。

CY7C68013A-56器件是第1个包含USB2.0的集成微控制器，其内部集成有1个增强型的8051，1个智能USB串行接口引擎（SIE），1个USB数据收发器，3个8位I/O、16位地址线、8.5 KB RAM和4 KB的FIFO等。增强型8051内核完全与标准8051兼容，而性能可达到标准8051的3倍以上[4]。图3为CY7C68013A-56的结构框图。

图3 CY7C68013A-56结构框图

CY7C68013A器件在数据传输时利用4 KB的FIFO，包含 7 个 端 点 ：EP0IN/OUT，EP1IN，EP1OUT，EP2，EP4，EP6，EP8。其中EP0、EP1IN和EP1OUT是3个64 B的缓冲端点，只能被固件访问，EP0是默认的数据输入输出端口缓存，默认工作于控制传输，EP1IN和EP1OUT是独立的64 B缓存，可以配置成块传输、中断传输或同步传输。端点2、4、6、8是大容量高宽带的数据传输端点，可配置为各种带宽以满足实际需求。端点2、6能配置成每帧成512 B或1 024 B，并可配置为 2、3、4级，则 EP2，EP6最大能被配置为 4 KB的缓存；端点4、8则能配置为每帧512 B的缓存。

3 系统软件设计

3.1 USB Firmware设计

由于设计中使用FPGA控制USB设备进行语音电话通信，所以在USB部分使用3种USB传输模式：控制传输、中断传输、等时传输。控制传输用于实现设备枚举主机的标准请求以及厂商自定义请求；中断传输用于实现设备对主机的唤醒，是唯一的设备主动向主机发送数据的传输方式；等时传输用于实现语音数据的双向同步传输。USB Firmware设计重点是语音的通信段。

CY7C68013A具有 PORTS、Slave FIFO、GPIF共 3种工作模式。PORTS模式是最基本的数据传输方式，其数据传输需CPU直接参与，适于传输速率要求不高的场合；GPIF模式是主机方式，内部主机控制端点FIFO；Slave FIFO模式是从机方式，外部控制器，如FPGA、DSP。应用中使用异步FIFO方式，采用内部48 MHz时钟，自动方式，而固件程序的编写则以Cypress公司提供的固件程序框架为基础，在其初始化函数中添加自己的配置代码。

在整个系统中，CY7C68013A的固件主要完成以下工作：初始化USB器件；作为USB接口与主机通信并传输数据；利用CY7C68013A器件的Slave FIFO接口控制USB器件和外部控制器之间的数据传输。因此固件主程序比较复杂，除了上面的TD_Init（）初始化外，还需要大量函数，但基本结构相对简单，包括3个过程：USB控制器的初始化；主函数，包括处理标准设备请求的代码；中断处理，包括处理各种中断的程序代码。图4为固件主程序流程。

图4 固件程序流程

3.2 USB驱动程序

USB系统软件由主机中的软件和设备固件构成。USB主机中的软件主要包括USB设备驱动（USBDD）、USB总线驱动（USBD）和 USB 主控制器驱动（HCD）[5]。

USB设备驱动程序（或客户驱动程序）处于最顶层，它支持特定设备类的驱动，负责与其对应的USB设备进行通信和读写控制，实现各个USB设备特殊的功能应用。连接USB设备的每种类型的功能单元都必须具有客户驱动程序。客户驱动程序把USB设备看作是一个可被访问的端点的集合，USB设备可以被控制并与其功能单元通信。USB设备驱动程序通过I/O请求包（IRP）向USB总线驱动程序发送请求。这些请求包将一个给定的传输初始化。这种传输可以来自于一个USB目标设备或发送到USB设备。

USB总线驱动（USBD）是在主机控制器驱动和USB设备驱动之间的模块，它对应 USB协议的USBD，在 Windows系统中由USBD.SYS模块提供，它是在某一操作系统上对USB总线和协议提供支持的软件，独立于USB设备和USB设备驱动，并对它们进行控制和提供统一编程接口。

USB主控制器驱动程序（HCD）处于最底层，它负责对主机控制器进行抽象和对USB提供低级支持。

3.3 PC端的软件设计

PC端的软件设计采用面向对象程序设计，分为核心类（包括 Provider,Data，Net）和 应用类（包括 UI，Call，Record）。其中核心类提供对硬件、操作系统和网络环境的支持，应用类在核心类的基础上提供对用户操作的支持。Provider类定义对USB设备的读写操作，提供读取数据方法（readusb（））和写数据方法（writeusb（））；Data 类包括地址数据（Address）、音频数据（Audio）和控制数据（Command）的定义，并提供数据的分解方法（Decompose（））和组合方法（Compose（））；Net类提供对网络的支持，包括网络协议的选择和数据的接收与发送。UI类提供对用户界面的支持，包括窗口、对话框等，实现基本用户框架与应用入口；Call类提供通话功能；Record类则提供电话录音功能；根据不同应用要求，可扩展其他应用类。具体结构如图5所示。

图5 PC服务器端软件框图

4 结束语

USB灵活的接口和可编程特性可简化外部硬件的设计，提高系统可靠性[6]。而USB2.0控制器CY7C68013A也广泛应用于许多数据传输领域。FPGA已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件。这里所介绍的USB设备就是一个基于FPGA的嵌入式系统，该系统软硬件都具有模块化的特性，易于改造成其他应用场合的语音控制系统 （DAA除外）。该设计的应用可节省大量的人力、物力，具有较大的推广意义和使用价值。

[1]张念淮，江 浩.USB总线接口开发指南[M].北京:国防工业出版社，2001.

[2]谭安菊，龚 彬.USB2.0控制器CY7C68013与FPGA接口的 VerilogHDL 实现[J].电子工程师，2007，33（7）:52-55.

[3]王 诚，吴继华，范丽珍，等.Altera FPGA/CPLD设计基础篇[M].北京:人民邮电出版社，2005.

[4]钱 峰.EZ-USB FX2单片机原理、编程及应用[M].北京:北京航空工业出版社，2006.

[5]Chris Cant.Windows WDM设备驱动程序开发指南[M].北京:机械工业出版社，2001.

[6]蒋金涛，杨 鸣.USB2.0控制器EZ-USB FX2的性能特点及其数据传输实现[J].计算机工程与应用研究,2005,41（11）:94-96.