基于CYPRESS的USB3.0总线该怎样去设计？

　　1.引言
　　USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）以其无需配置、即插即用等特性获得了广泛的应用。2004年提出的USB2.0标准，传输速度最大能够达到480Mbps。但在 USB3.0标准中，它的最大传输速度几乎是传统USB2.0传输速度的10倍，达到了5.0Gbps，被定义为“超高速USB接口”。本文基于CYPRESS的FX3系列USB3.0芯片，对USB3.0总线进行研究开发。
　　2.USB3.0接口芯片概述
　　赛普拉斯的EZ-USB FX3是新一代的USB3.0外设控制器，具有高度集成的灵活特性，允许系统设计者将USB3.0添加至任何系统。本文采用的是FX3系列USB3.0芯片CYUSB3014 FX3是完全兼容USB3.0 V1.0和USB2.0规范的，集成的USB2.0 OTG控制器允许芯片作为主从设备使用。另外，它还支持一些常用的外设接口，如SPI，I2C，UART和I2S可以与外部设备进行通信。
　　
　　FX3具有一个可进行完全配置的并行通用可编程接口GPIF II，它可以与任何处理器、ASIC或是FPGA连接。它可以轻松无缝地连接至多种常用接口，比如异步SRAM、异步和同步地址数据复用式接口、并行 ATA等等。EZ-USB FX3集成了USB3.0和USB2.0物理层（PHY）以及32位ARM926EJ-S微处理器，具有强大的数据处理能力，并可用于构建定制应用。
　　3.系统整体设计
　　本系统设计主要由软件部分和硬件部分组成。软件部分主要包括三大部分：PC机应用程序、FX3固件程序FPGA程序。硬件部分主要由FPGA、USB3.0芯片和DDR2组成，硬件的系统框图如图2所示。本文主要完成了硬件、PC机应用程序和FPGA程序的设计。
　　
　　FX3固件程序使用的是Cypress的SDK开发包的固件程序。
　　3.1 DDR模块设计
　　与FPGA相比，USB3.0接口是一个高速的接收单元。在不同工作速度的系统之间，数据缓存是不可或缺的部分，一般来说，使用FIFO基本可以使各系统工作在自己的时钟频率下，而不需要反复的互相握手信号就能进行数据的交流。本文设计的数据是保存在计算机上，由于各计算机的硬件配置可能会不一样， 我们设计了DDR2虚拟FIFO模块来进行数据缓存，为批量传输时能够提供足够的缓存，不用担心为缓存不够电脑来不及存取数据造成数据丢失。
　　本系统选用两片MT47H64M16HR，两片DDR并联控制总线和地址总线，总存储容量达到2Gbit，读写宽度都为16bit，它具有丰富的资源，足够满足本系统的需要。
　　3.2 USB3.0接口设计
　　与USB2.0不同的是，USB3.0在与计算机通讯时，它有自己专用的数据通路，专用的数据发送线路和独立的数据接收线路，即图3中四线差分信号 SSRX+/-和SSTX+/-，从而可以真正的实现全双工。同时，USB3.0还兼容了USB2.0的D+/-信号接口，从而可以与USB2.0无缝连接。使用从器件FIFO接口与FPGA链接，传输速度能达到可达到320MBps。图3为USB芯片与FPGA和PC机的电路连接。
　　
　　3.3 FPGA逻辑设计
　　FPGA是整个系统的核心，它需要产生测试数据并将数据存储到DDR2中，以及将DDR2中读出的数据转移到CYUSB3014大的内部FIFO中，因此它主要由如图2内部所示模块构成。
　　3.3.1 USB接口模块
　　USB接口模块主要处理读写命令。读写命令需要计算机通过USB控制传输，传递到CYUSB3014中，再由CYUSB3014将具体的命令转化为电平信号送到FPGA的IO口。USB接口模块根据UART_RX上的电平信号，判断出是读命令还是写命令，最终产生CYUSB3014的片选CS、使能 OE、读/写控制等有效信号。
　　当为写命令时，CYUSB3014需要将从DDR2中读取的数据发送出去;当为读命令，读取CYUSB3014传递过来的数据，流程图如图4所示。
　　
　　图5为同步写入和读出数据的时序图。由于读写最大包为1024字节，所以实际每一包传输需要256个周期。图中的输入/出DQ数据为测试数据模块和PC机产生的测试数据，RX即UART_RX信号。
　　
　　3.3.2 测试数据模块
　　当计算机向FPGA发出读命令时，FPGA产生测试数据。32位数据，高16位为0，低16位循环计数，发送一个周期后，自动清零。
　　批量（bulk）传输时的最大包大小为1024字节，因此测试数据在0~255之间循环变化。
　　产生测试数据后，数据传输流程为DATA-》DDR2-》FIFO-》CYUSB3014-》PC机，实现了将测试数据上传到PC机的功能。
　　3.3.3 DDR2接口模块
　　该部分直接负责外围DDR2接口，利用FPGA的DDRII SDRAM IP核实现，按照DDR2芯片MT47H64M16HR来设定控制器的时序参数，控制器根据这些参数值生成满足MT47H64M16HR时序的接口，再由DDR2模块进行读写控制。
　　3.4 应用程序的设计
　　应用程序由VC++编写，利用与设备驱动关联的API与设备联系。CYPRESS公司提供了完整的API库，配合使用其提供的通用驱动程序，可以便利地调用控制USB设备。应用程序的主要功能是发送命令，并将USB输入数据保存下来，程序主要界面如图6所示。
　　
　　4.测试结果及分析
　　4.1 写入数据测试
　　当应用程序向USB发出写命令时，FPGA产生测试数据并传给FX3以便上传给PC机。
　　采集1000MB的数据进行记录，以便在MATLAB中进行分析。
　　CYPRESS官方开发包中自带了streamer软件进行速度测试。在Endpoint选项中选择Bulk in endpoint端点（Bulk Out对应的是PC机向FPGA写数据）。由于批量传输时的最大包为1024字节，因此需要将Packets perXfer设置为256或以下，Xfers to Queue置为4。不同的USB3.0控制器，速度的测试结果会有所不同。如图7所示是在64位WIN7系统下的测试及分析结果。如图7（a）中所示，经过一段时间的速度测试，23704个成功包，0失败，往P C中写入数据的速度能够达到178800KB/S，即1.43Gbps。为了验证数据的正确性，在MATLAB中对采集的8.0Gb数据进行分析。由于测试数据是0~255之间循环变化，因此可以根据每一包数据的数据差是否为1来判断数据的正确性，当不为1时报错。如图7（b）所示，读取的数据是正确的，没有发生丢数或错数的情况。
　　
　　4.2 读出数据测试
　　类似的，当应用程序向USB发出读命令时，同时会产生一组有规律的测试数据，并传送给CYUSB3014，FPGA直接读取数据。如下图8（a）所示是读入速度测试结果，18252个成功包，0失败，往USB中写入数据的速度能够达到179000KB/S，即1.432Gbps。在FPGA中记录下随机采集的32k数据并进行分析，同样的可以根据数据间的差来判断数据的正确性，如图8（b）所示，写入的数据时正确的，没有发生丢数错数的情况。
　　
　　5.结束语
　　本文在FPGA和CYUSB3014的基础上，对USB3.0进行了开发应用。鉴于本文的系统架构，虽然测试数据都是FPGA内部产生，但是对于实际使用高采样率AD的数据采集系统具有很大的借鉴意义。