基于FPGA的嵌入式系统USB接口设计

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IP -

PBX 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。

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 FX2CY7C68013A -56。图2为EZ -USB 器件工作在Slave FIFO 模式下时FX2USB 和FPGA 的

典型电路连接图。

2.2FPGA 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90nm 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。

收稿日期：2009-08-17

稿件编号：200908035

作者简介：杨志坤（1985—），男，四川绵阳人，硕士研究生。研究方向：基于FPGA 的嵌入式系统的设计。

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）

摘要:设计基于FPGA 的IP -PBX 电话应用系统，用于传统的电话网络（PSTN ）与PC 机之间的接口连接。USB2.0接口器件EZ -USB FX2CY7C68013A -56工作在slave FIFO 模式，为基于FPGA 的嵌入式系统与PC 机之间提供数据和命令通道，从而可满足PC 机与FPGA 之间数据与命令的高速传输，实现PSTN 与PC 机之间的电话通信。硬件调试结果表明系统工作稳定，通话质量满足要求。关键词:接口；FPGA ；USB2.0；slave FIFO 中图分类号:TP334

文献标识码：A

文章编号：1674－6236（2010）01-0030-02

Design of USB interface of embedded system based on FPGA

YANG Zhi -kun ，ZENG Bo ，TANG Guo -wen

（School of Electronic Engineering ，University of Electronic Science and Technology ，Chengdu 611731,China ）

Abstract:The paper focus on the implementation of the IP -PBX PSTN system based on FPGA,realizes the interface connection between conventional PSTN and PC.The USB2.0interface chip EZ -USB FX2CY7C68013A -56works in slave FIFO mode,it provides high -speed transmission channels for data and commands of the embedded system based on FPGA,realizes the high -speed data transmission between the PC and FPGA system.The hardware testing result proves that the system works stable,and satisfies the audio criterion.Key words:interface ；FPGA ；USB2.0；slave FIFO

图1系统结构示意图

图2系统硬件电路连接

2010年1月Jan.2010

第18卷第1期

Vol.18No.1

电子设计工程

Electronic Design Engineering

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EP2C8Q208C8内部有2个锁相环（PLL）和8个全局时钟网络，8256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、8.5KB RAM和4KB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。

CY7C68013A器件在数据传输时利用4KB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64B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64B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512B或1024B，并可配置为2、3、4级，则EP2，EP6最大能被配置为4KB的缓存；端点4、8则能配置为每帧512B的缓存。

3系统软件设计

3.1USB 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48MHz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。

3.2USB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。

3.3PC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

图4固件程序流程

图3CY7C68013A-56结构框图

（下转第34页）杨志坤，等基于FPGA的嵌入式系统USB接口设计

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