如何在FPGA和ASIC設計中結合高速USB功能

　　USB提供的吞吐量足夠大，適合高帶寬應用，如硬盤(pán)驅動(dòng)器和掃描器。事實(shí)上，對于大部分計算機外設，如鍵盤(pán)，鼠標，PDA,游戲鍵盤(pán)，操縱桿，掃描儀，數碼相機，打印機，USB已經(jīng)是互連標準。

　　除了簡(jiǎn)單的電腦外圍設備，FPGA應用也廣泛存在，其可以受益于高速USB接口的增加。數字信號示波器、心電圖、攝像機和數據采集系統是其中的一些例子。將USB接口添加到設備里將會(huì )大大擴展其能力。例如，在數據記錄系統中（如數字儲存示波器和心電圖），得到實(shí)時(shí)數據可以通過(guò)主機實(shí)時(shí)傳輸，也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳輸這個(gè)數據，如圖1所示。對于遠程數據采集應用，將數字記錄儀設備通過(guò)USB連接到主機也可以使設備進(jìn)行遠程控制，主機可以位于幾英里以外，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )連接到USB主機。本文將探討其設計方法，可以在FPGA或ASIC系統中實(shí)現高效高速USB 2.0接口。

圖1 基于USB的分布式數據采集系統

　　在介紹整合通用串行總線(xiàn)接口到FPGA或ASIC系統的各種方法之前，我們需要了解一下典型USB系統的工作原理。典型的USB系統由收發(fā)器，串行接口引擎（SIE），和接口控制器構成，如圖2所示。

圖2 典型的USB系統

　　收發(fā)器實(shí)現了USB協(xié)議的物理層。收發(fā)器形成了主設備和從設備之間數據連結的兩端。USB接收器會(huì )有差分和單端兩種輸出。SIE進(jìn)行串行數據的編碼和解碼，位填充，錯誤校驗和其他信號級處理任務(wù)。它還將并行數據轉換成串行數據，反之亦然。SIE應該連接到智能master,其通過(guò)控制端點(diǎn)相應主設備請求實(shí)施高級USB協(xié)議。master也將實(shí)現器件功能所需的應用級任務(wù)。

　　在這篇文章中，我們將討論三種不同的方法，實(shí)現USB接口添加到FPGA或者ASIC系統。

　　使用USB協(xié)議棧知識產(chǎn)權（IP）及外部收發(fā)器

　　在第一種方法中，我們可以在FPGA或ASIC中實(shí)現SIE（見(jiàn)圖3）。

圖3 FPGA + USB協(xié)議棧IP + USB收發(fā)器