一种基于USB的快速数据传输系统设计

　　 摘要：文章介绍了一种利用基于USB的快速读数系统的设计方法。该系统利用CY7C68013实现，文章给出了系统的硬件设计方案、FPGA内部集成FIFO的软件实现方法以及GPIF与FLASH握手信号的设计。通过此USB数据传输模块，实现了FLASH存储器与计算机之间的数据高速传输。应用结果表明，此数据通信系统是可靠有效的，具有一定的通用性，可用于其它类似的测试存储系统中。
关键词：USB；GPIF；数据传输；FPGA
目前计算机的有线数据传输方式主要有串口、并口和USB三种。串口最高传输速度仅为115200bit/s。并口传输的模式有两种，速度最快的EPP模式其传输速度约为两百K。而USB方式中数据以包的形式进行传送，工作模式分低速、全速和高速，低速的传输速度为1.5M/S，全速约为12M/S，高速可达480M/S。面对今天容量日益庞大的存储系统，使用USB技术无疑将大大提高系统读数速度。随着嵌入式系统的发展，将USB硬件收发器、SIE串行接口引擎等USB硬件集成在一个单片机芯片上，简化USB协议，为我们使用USB设计读数模块提供了可能。
本文USB传输系统采用微处理器CY68013实现。文章给出了此数据传输系统的硬件设计方案，着重介绍了FPGA控制模块中内部集成FIFO的实现方法，以及GPIF与FLASH通信时握手信号的设计方案。
1系统硬件方案设计
CY68013是Cypress公司推出的EZ-USBFX2系列产品之一，内部集成了USB2.0收发器、智能串行引擎（SIE）、增强型8051控制器、通用可编程接口(GPIF)、8.5KB的RAM和FIFO存储器，最大限度的满足了USB2.0的总线带宽。FX2最常用的数据传输方式就是GPIF。GPIF是一种快速的数据传输方式，时序简单。它可以很容易的从RAM中读取数据。但是，由于FLASH存储器的读数操作是以页为单位，读数时页与页之间有一小段时间间隔，数据输出不是连续的。为解决此问题，实现FX2GPIF方式读取FLASH中的数据，需要使用FIFO作为数据过渡，先将FLASH中的数据读到FIFO中，USB控制器再从FIFO中读取数据。
2FPGA内部集成FIFO的软件设计
2.1内部集成FIFO的结构
FIFO的本质是一种特殊的双口RAM，由于大部分FPGA内部就有双口RAM资源。因此在这里选用合适的FPGA芯片来编写FPGA内部集成FIFO。FIFO结构的特点是先进先出，对外它是一种没有地址控制的特殊缓存。只要给一个FIFO提供读、写使能信号就能使其工作，不同的是FIFO对外不显示地址，只是给出表现内部状态的满、半满和空信号，用户根据这些信号对FIFO进行操作。
FIFO设计时最重要的就是怎么给出这些信号。本设计中FIFO产生满、半满以及空状态标志信号采用如下方法：用读地址和写地址相减结果来判断FIFO的满空状态；此外还可以据此得到FIFO的半满状态信号。这种方法可以容易的控制FIFO满、半满、空的深度。
2.2FIFO标志信号的产生
FIFO满、空、半满标志信号的生成过程是一样的，只不过判断比较的差值不一样。FIFO满时差值为1023，空为1。为了避免时序错误，还可以设定一定的满空深度。例如，当地址差大于1000时认为FIFO已满，不再向FIFO中写入数据，这样可以避免错误的出现。
3GPIF与FLASH握手信号设计满、空信号主要是在读数时使用，用作GPIF与FLASH读数时的握手信号，以保证读数的稳定可靠。读数时数据要先存到FIFO中，然后USB再从FIFO中读取数据。对于FIFO来说，读取和写入的速度是不同的，可能读比写快，也可能写比读快。因此，我们需要设计读数握手信号，以防读数时丢失数据。信号的握手过程是：对于读数控制模块来说，只要FIFO不满它就向FIFO中写入数据。对于FX2GPIF来说，只要FIFO不空它就从FIFO中读取数据。这样对于FIFO的读写就组成了一个闭环，保证了读数的完整准确。

读数握手方式确定以后可能出现两种情况：①FIFO的写数速度大于读数速度，这样写地址慢慢就追上读地址了，这时的总的读数速度就由读数速度决定。②FIFO的写数速度大于读数速度，这样读地址慢慢就追上写地址，这时的总的读数速度就由写数速度决定。
4结语
本文设计的基于EZ-USBFX2微处理器的数据通信系统，实现了利用USB端口从FLASH存储器种快速读取数据。此数据通信系统应用在了某型号车载测试存储系统中。存储的数据通过此传输模块快速地读入计算机，根据上位机数据恢复的信号与原始信号比较，失真较小，噪声水平低取得了良好的效果。此设计具有一定的通用性，对于一般基于USB的高速数据传输系统设计具有一定的应用参考价值。
参考文献：
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