如何在FPGA和ASIC設(shè)計(jì)中結(jié)合高速USB功能

 通用串行總線已經(jīng)很普遍了，這是由于其使用簡單，隨插即用，并具有魯棒性的優(yōu)點(diǎn)。USB已經(jīng)找到了進(jìn)入曾經(jīng)使用串口、并口作為其host接口的計(jì)算機(jī)外設(shè)的方式，需要接口到host計(jì)算機(jī)的產(chǎn)品現(xiàn)在也把USB作為其主要選擇。USB提供多種帶寬選擇--低速、全速、高速、和現(xiàn)在的超高速--迎合了各種計(jì)算機(jī)外設(shè)以及工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備的需要。

USB提供的吞吐量足夠大，適合高帶寬應(yīng)用，如硬盤驅(qū)動器和掃描器。事實(shí)上，對于大部分計(jì)算機(jī)外設(shè)，如鍵盤，鼠標(biāo)，PDA,游戲鍵盤，操縱桿，掃描儀，數(shù)碼相機(jī)，打印機(jī)，USB已經(jīng)是互連標(biāo)準(zhǔn)。

除了簡單的電腦外圍設(shè)備，F(xiàn)PGA應(yīng)用也廣泛存在，其可以受益于高速USB接口的增加。數(shù)字信號示波器、心電圖、攝像機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是其中的一些例子。將USB接口添加到設(shè)備里將會大大擴(kuò)展其能力。例如，在數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中(如數(shù)字儲存示波器和心電圖)，得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以通過主機(jī)實(shí)時(shí)傳輸，也可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸這個(gè)數(shù)據(jù)，如圖1所示。對于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，將數(shù)字記錄儀設(shè)備通過USB連接到主機(jī)也可以使設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，主機(jī)可以位于幾英里以外，通過網(wǎng)絡(luò)連接到USB主機(jī)。本文將探討其設(shè)計(jì)方法，可以在FPGA或ASIC系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高效高速USB 2.0接口。

圖1 基于USB的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在介紹整合通用串行總線接口到FPGA或ASIC系統(tǒng)的各種方法之前，我們需要了解一下典型USB系統(tǒng)的工作原理。典型的USB系統(tǒng)由收發(fā)器，串行接口引擎(SIE)，和接口控制器構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 典型的USB系統(tǒng)

收發(fā)器實(shí)現(xiàn)了USB協(xié)議的物理層。收發(fā)器形成了主設(shè)備和從設(shè)備之間數(shù)據(jù)連結(jié)的兩端。USB接收器會有差分和單端兩種輸出。SIE進(jìn)行串行數(shù)據(jù)的編碼和解碼，位填充，錯(cuò)誤校驗(yàn)和其他信號級處理任務(wù)。它還將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，反之亦然。SIE應(yīng)該連接到智能master,其通過控制端點(diǎn)相應(yīng)主設(shè)備請求實(shí)施高級USB協(xié)議。master也將實(shí)現(xiàn)器件功能所需的應(yīng)用級任務(wù)。

在這篇文章中，我們將討論三種不同的方法，實(shí)現(xiàn)USB接口添加到FPGA或者ASIC系統(tǒng)。

使用USB協(xié)議棧知識產(chǎn)權(quán)(IP)及外部收發(fā)器

在第一種方法中，我們可以在FPGA或ASIC中實(shí)現(xiàn)SIE(見圖3)。

圖3 FPGA + USB協(xié)議棧IP + USB收發(fā)器

通用串行總線已經(jīng)很普遍了，這是由于其使用簡單，隨插即用，并具有魯棒性的優(yōu)點(diǎn)。USB已經(jīng)找到了進(jìn)入曾經(jīng)使用串口、并口作為其host接口的計(jì)算機(jī)外設(shè)的方式，需要接口到host計(jì)算機(jī)的產(chǎn)品現(xiàn)在也把USB作為其主要選擇。USB提供多種帶寬選擇--低速、全速、高速、和現(xiàn)在的超高速--迎合了各種計(jì)算機(jī)外設(shè)以及工業(yè)和醫(yī)療設(shè)備的需要。

USB提供的吞吐量足夠大，適合高帶寬應(yīng)用，如硬盤驅(qū)動器和掃描器。事實(shí)上，對于大部分計(jì)算機(jī)外設(shè)，如鍵盤，鼠標(biāo)，PDA,游戲鍵盤，操縱桿，掃描儀，數(shù)碼相機(jī)，打印機(jī)，USB已經(jīng)是互連標(biāo)準(zhǔn)。

除了簡單的電腦外圍設(shè)備，F(xiàn)PGA應(yīng)用也廣泛存在，其可以受益于高速USB接口的增加。數(shù)字信號示波器、心電圖、攝像機(jī)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是其中的一些例子。將USB接口添加到設(shè)備里將會大大擴(kuò)展其能力。例如，在數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中(如數(shù)字儲存示波器和心電圖)，得到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以通過主機(jī)實(shí)時(shí)傳輸，也可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸這個(gè)數(shù)據(jù)，如圖1所示。對于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，將數(shù)字記錄儀設(shè)備通過USB連接到主機(jī)也可以使設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，主機(jī)可以位于幾英里以外，通過網(wǎng)絡(luò)連接到USB主機(jī)。本文將探討其設(shè)計(jì)方法，可以在FPGA或ASIC系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)高效高速USB 2.0接口。

圖1 基于USB的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

在介紹整合通用串行總線接口到FPGA或ASIC系統(tǒng)的各種方法之前，我們需要了解一下典型USB系統(tǒng)的工作原理。典型的USB系統(tǒng)由收發(fā)器，串行接口引擎(SIE)，和接口控制器構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 典型的USB系統(tǒng)

收發(fā)器實(shí)現(xiàn)了USB協(xié)議的物理層。收發(fā)器形成了主設(shè)備和從設(shè)備之間數(shù)據(jù)連結(jié)的兩端。USB接收器會有差分和單端兩種輸出。SIE進(jìn)行串行數(shù)據(jù)的編碼和解碼，位填充，錯(cuò)誤校驗(yàn)和其他信號級處理任務(wù)。它還將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，反之亦然。SIE應(yīng)該連接到智能master,其通過控制端點(diǎn)相應(yīng)主設(shè)備請求實(shí)施高級USB協(xié)議。master也將實(shí)現(xiàn)器件功能所需的應(yīng)用級任務(wù)。

在這篇文章中，我們將討論三種不同的方法，實(shí)現(xiàn)USB接口添加到FPGA或者ASIC系統(tǒng)。

使用USB協(xié)議棧知識產(chǎn)權(quán)(IP)及外部收發(fā)器

在第一種方法中，我們可以在FPGA或ASIC中實(shí)現(xiàn)SIE(見圖3)。

圖3 FPGA + USB協(xié)議棧IP + USB收發(fā)器

SIE IP的主要功能是要執(zhí)行數(shù)據(jù)編碼和解碼，CRC生成和錯(cuò)誤校驗(yàn)，位填充，數(shù)據(jù)包ID生成，串到并以及并到串轉(zhuǎn)換。這個(gè)IP可以自己開發(fā)或者可以從第三方供應(yīng)商購買。FPGA也要執(zhí)行上層USB協(xié)議。外部要使用一個(gè)收發(fā)器IC,比如賽普拉斯的TX2UL收發(fā)器芯片。這款收發(fā)器是USB 2.0認(rèn)證的符合收發(fā)器紅單元接口(UTMI)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。所需的所有終端，包括Dplus 線上的1.5 K歐姆的上拉電阻，都是在芯片里內(nèi)置了。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是所需外部硬件最少。使用這種方法的缺點(diǎn)是開發(fā)復(fù)雜的USB堆棧IP需要時(shí)間以及工程資源。SIE IP執(zhí)行，上層協(xié)議和應(yīng)用功能也占用了FPGA的大量資源。使用第三方的IP成本會很昂貴。

使用集成SIE和收發(fā)器芯片的USB橋

另一種把USB接口整合到FPGA設(shè)計(jì)的方式是連接一個(gè)外部串行接口引擎IC和收發(fā)器(見圖4)。

圖4. FPGA +橋芯片(SIE+ PHY)

在這里，F(xiàn)PGA只需要實(shí)現(xiàn)上層USB協(xié)議。任何從USB主設(shè)備收到的命令都會通過SIE傳遞到FPGA.FPGA需要包含邏輯來對這些命令進(jìn)行恰當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。例如，在枚舉過程中，USB外設(shè)會

從主設(shè)備得到一個(gè)命令，請求它的描述符。在這個(gè)實(shí)現(xiàn)中，外部硬件，即收發(fā)器和SIE,會收到封包，并通過一個(gè)中斷通知FPGA命令已收到。FPGA就會在STE讀寄存器，并了解到外設(shè)已收到來自主設(shè)備的GET描述符命令。它會把正確的描述符發(fā)送給SIE.和使用外部收發(fā)器的SIE IC 不同，USB橋芯片如賽普拉斯的Mobl-USB芯片內(nèi)置了SIE以及收發(fā)器。該控制器有兩個(gè)雙緩高速端點(diǎn)，其共享2 KB FIFO空間，最大化了靈活度和吞吐量，還有控制端點(diǎn)0.

這種實(shí)現(xiàn)的最大好處是，減少了FPGA一半的復(fù)雜性(例如，信號級協(xié)議管理)。然而，即使在這種情況下，還要占用一定數(shù)量的FPGA資源來執(zhí)行上層USB協(xié)議。在這種情況下，需要做的決定是，要分析要分析所需外部硬件成本 vs. 節(jié)省的FPGA資源。

使用USB控制器與FPGA

圖5. USB控制器+ FPGA

最后一種方式是，連接全功能 USB控制器到FPGA(見圖5)。在這種情況下，所有的USB協(xié)議管理都會發(fā)生在FPGA以外。專門的USB控制器IC包含PHY,SIE,協(xié)議控制邏輯。

控制器可以提供靈活的端點(diǎn)可配置數(shù)量，F(xiàn)IFO大小，甚至可能包含一個(gè)微控制器來處理上層USB協(xié)議管理。這種外設(shè)控制器可以處理一些應(yīng)用功能，從而不再需要FPGA或ASIC處理這些事務(wù)。如果他們包含RAM架構(gòu)，開發(fā)人員還可以進(jìn)行靈活的現(xiàn)場固件升級。

現(xiàn)在FPGA只需要掌握和這個(gè)芯片的邏輯接口。USB控制器和FPGA之間的接口可以是任何的標(biāo)準(zhǔn)接口，例如SPI,I2C,或HPI.還可能是自定義的接口，這在USB控制器IC中很普遍。

賽普拉斯的FX2LP 是專門的外設(shè)控制器芯片，其可以減少將USB集成到FPGA或ASIC系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間。它包含了一個(gè)簡單的"從FIFO"接口，使得和FPGA系統(tǒng)互聯(lián)很簡單。從FIFO接口功能具備從讀和從寫信號，可以讀或?qū)憯?shù)據(jù)到FX2LP 4 K FIFO空間。

對于與ASIC系統(tǒng)互聯(lián)，F(xiàn)X2LP包含一個(gè)GPIF或通用可編程接口邏輯接口，可以為ASIC處理或通訊的任何標(biāo)準(zhǔn)接口生成接口波形。GPIF還可以通過USB接口配置FPGA,這樣就不需要一個(gè)單獨(dú)的配置芯片，例如PROM或處理器。通過USB配置FPGA也不再需要JTAG.因此，通用的專用的USB控制器可以不僅僅作為一個(gè)數(shù)據(jù)通道，還可以減少線路板尺寸和成本。

這篇文章里提到的這三種設(shè)計(jì)方法都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。選擇時(shí)要進(jìn)行仔細(xì)分析，要權(quán)衡成本，線路板空間，和FPGA資源。