FPGA的嵌入式系統(tǒng)USB接口設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)基于FPGA的IP-BX電話應(yīng)用系統(tǒng)，用于傳統(tǒng)的電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN)與PC機(jī)之間的接口連接。USB2．0接口器件EZ-USB FX2 CY7C68013A-56工作在slave FIFO模式，為基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)與PC機(jī)之間提供數(shù)據(jù)和命令通道，從而可滿足PC機(jī)與FPGA之間數(shù)據(jù)與命令的高速傳輸，實(shí)現(xiàn)PSTN與PC機(jī)之間的電話通信。硬件調(diào)試結(jié)果表明系統(tǒng)工作穩(wěn)定，通話質(zhì)量滿足要求。

??? 通用串行總線USB(Universal Serial Bus)是應(yīng)用于PC領(lǐng)域的接口技術(shù)，已得到廣泛應(yīng)用。USB2．0已成為目前電腦中的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的在于為公共交換電話網(wǎng)絡(luò)(PSTN)和PC機(jī)之間提供一個(gè)數(shù)字接口，設(shè)計(jì)中PC機(jī)是主機(jī)，基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)是USB設(shè)備。該系統(tǒng)是IP-PBX的簡化系統(tǒng)，大量工作由PC的服務(wù)器完成，而這里重點(diǎn)介紹以FPGA為控制核心的USB接口設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
??? 該系統(tǒng)通過TRM(Telephone Response Module)和PC服務(wù)器實(shí)現(xiàn)PSTN網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)之間自由、高效通話。圖l為整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

??? 系統(tǒng)工作過程：當(dāng)有來電時(shí)，DAA向FPGA申請中斷。FPGA收到中斷后，使用USB的中斷傳輸向主機(jī)報(bào)告有外接來電，則PC的應(yīng)用軟件會提示用戶選擇摘機(jī)或拒絕。摘機(jī)后，F(xiàn)PGA在接收到命令后就會接通電話，然后語音數(shù)據(jù)通過USB的同步傳輸進(jìn)行雙向傳送。當(dāng)用戶向外撥號時(shí)，其過程與來電時(shí)的情況是相同的。

2 系統(tǒng)硬件模塊設(shè)計(jì)
2．1系統(tǒng)硬件框圖
??? 本設(shè)計(jì)采用FPGA作為核心控制器件，其控制對象是USB2．0接口器件EZ-USB FX2 CY7C68013A-56。圖2為EZ-USB器件工作在Slave FIFO模式下時(shí)FX2 USB和FPGA的典型電路連接圖。

2．2 FPGA和USB簡介
??? 設(shè)計(jì)中的核心控制器件FPGA選用Ahrea公司的EP2C8Q208C8，而USB設(shè)備器件則選用Cypress公司的CY7C68013A-56。EP2C8Q208C8是Ahera Cyclone II系列器件中的一種，Cyclone II FPGA是基于Stratix II的90 nm工藝生產(chǎn)的低成本FPGA。Cyclone II FPGA的應(yīng)用主要定位在終端市場，如消費(fèi)類電子、計(jì)算機(jī)、工業(yè)和汽車等領(lǐng)域。EP2C8Q208C8內(nèi)部有2個(gè)鎖相環(huán)(PLL)和8個(gè)全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，8 256個(gè)邏輯單元(LE)個(gè)，36個(gè)M4K RAM，18個(gè)乘法器模塊，可用I／O數(shù)138個(gè)。EP2C8Q208C8具有低成本、高性能、低功耗和對IP-PBX系統(tǒng)的可擴(kuò)展性(足夠多的I／O接口)的優(yōu)點(diǎn)，因此這里選擇該器件作為系統(tǒng)的控制器件。
??? CY7C68013A-56器件是第1個(gè)包含USB2．0的集成微控制器，其內(nèi)部集成有1個(gè)增強(qiáng)型的8051，1個(gè)智能USB串行接口引擎(SIE)，1個(gè)USB數(shù)據(jù)收發(fā)器，3個(gè)8位。I／O、16位地址線、8．5 KB RAM和4 KB的FIFO等。增強(qiáng)型8051內(nèi)核完全與標(biāo)準(zhǔn)805l兼容，而性能可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)805l的3倍以上。圖3為CY7C68013A-56的結(jié)構(gòu)框圖。

??? CY7C68013A器件在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)利用4 KB的FIFO，包含7個(gè)端點(diǎn)：EPOIN／OUT，EPlIN，EPlOUT，EP2，EP4，EP6，EP8。其中EPO、EPIIN和EPlOUT是3個(gè)64 B的緩沖端點(diǎn)，只能被固件訪問，EP0是默認(rèn)的數(shù)據(jù)輸入輸出端口緩存，默認(rèn)工作于控制傳輸，EPlIN和EPlOUT是獨(dú)立的64 B緩存，可以配置成塊傳輸、中斷傳輸或同步傳輸。端點(diǎn)2、4、6、8是大容量高寬帶的數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn)，可配置為各種帶寬以滿足實(shí)際需求。端點(diǎn)2、6能配置成每幀成512 B或l 024 B，并可配置為2、3、4級，則EP2，EP6最大能被配置為4 KB的緩存；端點(diǎn)4、8則能配置為每幀512 B的緩存。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 USB Firmware設(shè)計(jì)
??? 由于設(shè)計(jì)中使用FPGA控制USB設(shè)備進(jìn)行語音電話通信，所以在USB部分使用3種USB傳輸模式：控制傳輸、中斷傳輸、等時(shí)傳輸。控制傳輸用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備枚舉主機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)請求以及廠商自定義請求；中斷傳輸用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備對主機(jī)的喚醒，是唯一的設(shè)備主動向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)的傳輸方式；等時(shí)傳輸用于實(shí)現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的雙向同步傳輸。USB Firmware設(shè)計(jì)重點(diǎn)是語音的通信段。
??? CY7C68013A具有PORTS、Slave FIFO、GPlF共3種工作模式。PORTS模式是最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式，其數(shù)據(jù)傳輸需CPU直接參與，適于傳輸速率要求不高的場合；GPIF模式是主機(jī)方式，內(nèi)部主機(jī)控制端點(diǎn)FIFO；Slave FIFO模式是從機(jī)方式，外部控制器，如FPGA、DSP。應(yīng)用中使用異步FIFO方式，采用內(nèi)部48 MHz時(shí)鐘，自動方式，而固件程序的編寫則以Cypress公司提供的固件程序框架為基礎(chǔ)，在其初始化函數(shù)中添加自己的配置代碼。
??? 在整個(gè)系統(tǒng)中，CY7C68013A的固件主要完成以下工作：初始化USB器件；作為USB接口與主機(jī)通信并傳輸數(shù)據(jù)；利用CY7C68013A器件的Slave FlFO接口控制USB器件和外部控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸。因此同件主程序比較復(fù)雜，除了上面的TD_lnit()初始化外，還需要大量函數(shù)，但基本結(jié)構(gòu)相對簡單，包括3個(gè)過程：USB控制器的初始化；主函數(shù)，包括處理標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請求的代碼；中斷處理，包括處理各種中斷的程序代碼。圖4為同件主程序流程。

3．2 USB驅(qū)動程序
??? USB系統(tǒng)軟件由主機(jī)中的軟件和設(shè)備同件構(gòu)成。USB主機(jī)中的軟件主要包括USB設(shè)備驅(qū)動(USBDD)、USB總線驅(qū)動(USBD)和USB主控制器驅(qū)動(HCD)。
??? USB設(shè)備驅(qū)動程序(或客戶驅(qū)動程序)處于最頂層，它支持特定設(shè)備類的驅(qū)動，負(fù)責(zé)與其對應(yīng)的USB設(shè)備進(jìn)行通信和讀寫控制，實(shí)現(xiàn)各個(gè)USB設(shè)備特殊的功能應(yīng)用。連接USB設(shè)備的每種類型的功能單元都必須具有客戶驅(qū)動程序。客戶驅(qū)動程序把USB設(shè)備看作是一個(gè)可被訪問的端點(diǎn)的集合。USB設(shè)備可以被控制并與其功能單元通信。USB設(shè)備驅(qū)動程序通過I／O請求包(IRP)向USB總線驅(qū)動程序發(fā)送請求。這些請求包將一個(gè)給定的傳輸初始化。這種傳輸可以來自于一個(gè)USB目標(biāo)設(shè)備或發(fā)送到USB設(shè)備。

??? USB總線驅(qū)動(USBD)是在主機(jī)控制器驅(qū)動和USB設(shè)備驅(qū)動之間的模塊，它對應(yīng)USB協(xié)議的USBD，在Windows系統(tǒng)中由USBD．SYS模塊提供。它是在某一操作系統(tǒng)上對USB總線和協(xié)議提供支持的軟件，獨(dú)立于USB設(shè)備和USB設(shè)備驅(qū)動，并對它們進(jìn)行控制和提供統(tǒng)一編程接口。
??? USB主控制器驅(qū)動程序(HCD)處于最底層，它負(fù)責(zé)對主機(jī)控制器進(jìn)行抽象和對USB提供低級支持。
3．3 PC端的軟件設(shè)計(jì)
??? PC端的軟件設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)，分為核心類(包括Provider，Data，Net)和應(yīng)用類(包括UI，Call，Record)。其中核心類提供對硬件、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的支持，應(yīng)用類在核心類的基礎(chǔ)上提供對用戶操作的支持。Provider類定義對USB設(shè)備的讀寫操作，提供讀取數(shù)據(jù)方法(readusb())和寫數(shù)據(jù)方法(writeusb())；Data類包括地址數(shù)據(jù)(Address)、音頻數(shù)據(jù)(Audio)和控制數(shù)據(jù)(Command)的定義，并提供數(shù)據(jù)的分解方法(Decompose())和組合方法(Compose())；Net類提供對網(wǎng)絡(luò)的支持，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇和數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。UI類提供對用戶界面的支持，包括窗口、對話框等，實(shí)現(xiàn)基本用戶框架與應(yīng)用入口；Call類提供通話功能；Record類則提供電話錄音功能；根據(jù)不同應(yīng)用要求，可擴(kuò)展其他應(yīng)用類。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4 結(jié)束語
??? USB靈活的接口和可編程特性可簡化外部硬件的設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)可靠性。而USB2．O控制器CY7C68013A也廣泛應(yīng)用于許多數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域。FPGA已成為通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域的基礎(chǔ)器件。這里所介紹的USB設(shè)備就是一個(gè)基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)軟硬件都具有模塊化的特性，易于改造成其他應(yīng)用場合的語音控制系統(tǒng)(DAA除外)。該設(shè)計(jì)的應(yīng)用可節(jié)省大量的人力、物力。具有較大的推廣意義和使用價(jià)值。