基于FPGA 和USB 3.0 的超高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王鑫幕，蘆夜召，孟立凡，趙凱明

（1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.電子測試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；3.中北大學(xué)，山西 太原 030051）

0 引 言

隨著USB接口技術(shù)的不斷發(fā)展和移動數(shù)據(jù)與測試數(shù)據(jù)技術(shù)的提升，USB 2.0 接口最高傳輸速度為30 MB/s，但無法匹配測試速度。繼續(xù)使用USB 2.0 產(chǎn)品不僅影響實(shí)驗(yàn)測試的高精度、高效率，而且嚴(yán)重影響人們的日常生活體驗(yàn)。USB 3.0 接口的出現(xiàn)使該問題得到大大改善，并且USB 3.0 向后兼容了USB 2.0，因此對USB 3.0接口數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行研究極其重要。相比USB 2.0，USB 3.0有更高的傳輸速度、更低的功耗和向下兼容2.0 等優(yōu)點(diǎn)。USB 3.0 最大傳輸速度達(dá)到5 Gb/s（即625 MB/s），是USB 2.0 傳輸速度的10 倍，具有很好的發(fā)展前景。

本文采用CYUSB3014 芯片，設(shè)計(jì)一種基于FPGA、SLIVEFIFO工作模式和USB 3.0的高可靠性、高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。經(jīng)測試，本文系統(tǒng)的傳輸速度可達(dá)320 MB/s，并且在該速度下能夠長時間穩(wěn)定工作，滿足現(xiàn)有工業(yè)場合的大批量數(shù)據(jù)傳輸要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由電源模塊、FPGA控制模塊和USB 3.0 數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，通過Cypress 官方固件給FPGA 發(fā)送命令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 同步從設(shè)備FIFO 接口設(shè)計(jì)

在外部處理器訪問CYUSB3014 中數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的應(yīng)用場合下，可以使用同步從設(shè)備FIFO 接口技術(shù)。同步從設(shè)備FIFO 接口的靈活使用，可以滿足高吞吐量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。在包模式?shù)據(jù)的快速傳輸過程中，使用該接口能夠有效緩存數(shù)據(jù)，保證包模式下數(shù)據(jù)的連續(xù)性，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃灾笜?biāo)。因此，本文所述系統(tǒng)或模塊均使用同步從設(shè)備FIFO 接口設(shè)計(jì)，如圖2 所示。

圖2 同步從設(shè)備FIFO 接口示意圖

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

本文采用USB 3.0 接口供電，供電電壓為5 V。因?yàn)镕X3 芯片內(nèi)部各模塊要求的供電電壓不同，所以需要使用不同的電路將5 V 的電壓轉(zhuǎn)換為各模塊所需的工作電壓，且輸入電流要滿足900 mA 的條件。針對電路的供電電壓需求，最終選用TPS650243 電源芯片。該芯片采用鋰電子供電技術(shù)，內(nèi)部集成壓降轉(zhuǎn)換器和LDO穩(wěn)壓器，而且還有熱關(guān)斷保護(hù)功能，可以滿足本文系統(tǒng)需求。電源電路如圖3 所示。

圖3 電源電路

設(shè)置外圍電路可以得到不同的輸出電壓值，其中VDCDC 輸出電壓和電阻配置關(guān)系如下：

式中：，為電壓值，單位為V；，為電阻值，單位為Ω；為默認(rèn)電壓，一般為0.6 V。通過計(jì)算，配置相應(yīng)的電阻就可以得到所需的輸出電壓。

2.3 USB 接口電路設(shè)計(jì)

本 文 設(shè) 計(jì) 采 用USB 3.0 標(biāo) 準(zhǔn)B 型 接 口，該 接 口 扁平小巧、支持熱插拔、強(qiáng)度高、壽命長，相對于其他類型的接口更普遍、通用性更好。接口電路如圖4 所示。VBUS 引腳可以承受6 V 的電壓，在USB 3.0 插座上的“屏蔽”引腳通過接一個2.2 mH 電感BLM21P 與0.1 mF電容的并聯(lián)電路，然后接地可以實(shí)現(xiàn)隔離屏蔽的作用。在本系統(tǒng)中，采用四通道的RCLAMP0524J 作為兩對差分?jǐn)?shù)據(jù)線（SSRX+/SSRX-和SSTX+/SSTX-）的外部ESD器件來防靜電保護(hù)，以此來降低靜電對系統(tǒng)性能的影響。其中RCLAMP0524J 具有低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 USB 接口電路

2.4 USB 3.0 邏輯設(shè)計(jì)

2.4.1 同步從設(shè)備FIFO 讀序列

同步從設(shè)備FIFO 接口進(jìn)行讀取操作的時序?yàn)椋杭せ钇x信號SLCS#；激活輸出使能信號SLOE#，驅(qū)動數(shù)據(jù)總線；激活SLRD#信號，同時FIFO 指針在PCLK 上升沿到來時更新，啟動重新尋址的FIFO 至數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過的傳輸延遲時間后即可得到最新的數(shù)據(jù)。

2.4.2 同步從設(shè)備FIFO 寫序列

同步從設(shè)備FIFO 接口進(jìn)行寫操作的序列為：激活片選信號SLCS#；外部主設(shè)備或外設(shè)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)總線上；激活SLWR#信號，在PCLK 上升沿時將數(shù)據(jù)寫入到FIFO 中，并且FIFO 指針遞增，指向下一個FIFO。

3 固件設(shè)計(jì)

固件是與硬件電路聯(lián)系最為密切的應(yīng)用程序之一，開發(fā)難度大、周期長，而且還需要具有豐富的固件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。為快速開發(fā)固件應(yīng)用，固件框架成為了最好的選擇。本系統(tǒng)采用Cypress 公司的CYUSB3014 芯片，在USB 固件設(shè)計(jì)中使用Cypress 提供的SDK 開發(fā)包，其中包含固件框架和應(yīng)用變成接口函數(shù)庫。FX3 固件框架程序流程如圖5 所示。

圖5 FX3 固件框架程序流程

固件設(shè)計(jì)主要分為兩部分：一是用GPIF ⅡDesigner 工具設(shè)計(jì)FPGA 和USB 接口部分，通過編譯生成一個GPIF Ⅱ接口的C 頭文件；二是用Eclipes 工具編譯固件框架，把頭文件加到固件工程中，通過API 接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)固件應(yīng)用程序。FX3 的固件框架如圖6 所示。

圖6 FX3 的固件設(shè)計(jì)框圖

為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸，需要創(chuàng)建2 個DMA 通道，分別作為讀、寫操作的傳輸通道，按圖2 所示連接。用GPIF ⅡDesigner 工具進(jìn)行接口設(shè)計(jì)，定義的接口界面如圖7 所示。

圖7 GPIF II 接口的接口界面

4 結(jié) 論

在串流IN 傳輸時，F(xiàn)PGA 等待FLAGA 變?yōu)?；當(dāng)緩沖區(qū)可用時，F(xiàn)PGA 立即將數(shù)據(jù)連續(xù)寫入到FX3 的PIB_SOCKET_0。串流IN 傳輸速度如圖8 所示。

圖8 串流IN 傳輸速度

FLAGA 和FLAGB 是EZ?USB FX3 的DMA buffer 的空滿狀態(tài)標(biāo)志信號，由FX3 的固件控制。當(dāng)FLAGA 信號為高電平時，進(jìn)入Stream_IN 傳輸模式，F(xiàn)LAGB 信號也為高電平時意味著Socket buffer 為空，此時FPGA 拉低SLRD 信號線，并向FX3 的CYUSB3014 套接字緩沖區(qū)寫入數(shù)據(jù)，同時啟動DMA 通道；當(dāng)緩沖區(qū)寫滿數(shù)據(jù)后，F(xiàn)LAGA 拉低，調(diào)用DMA 回調(diào)函數(shù)，數(shù)據(jù)從U 口上傳到PC 端。在串流OUT 傳輸時，F(xiàn)PGA 等待FLAGC 變?yōu)?，當(dāng)緩沖區(qū)可用時，F(xiàn)PGA 立即連續(xù)讀取FX3 的PIB_SOCKET_3 中的數(shù)據(jù)。包模式下用PC 向FPGA 傳輸數(shù)據(jù)，如圖9 所示，串流OUT 傳輸速度如圖10 所示。

圖9 包模式下串流OUT 傳輸

圖10 串流OUT 傳輸速度

5 結(jié) 語

本文介紹一種基于USB 3.0 同步從設(shè)備FIFO 的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，并通過多次數(shù)據(jù)傳輸驗(yàn)證得出，該系統(tǒng)高速傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定，能夠滿足各種視頻信號及大數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅蓱?yīng)用于大容量數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中。USB 3.0配合DDR 可達(dá)到更高的傳輸速度，更加實(shí)用，可以繼續(xù)深入開發(fā)。