基于FPGA的USB3.0通信架构设计与实现

doi:10.3969/j.issn.1006-2475.2017.10.024

计算机与现代化

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基于FPGA的USB3.0通信架构设计与实现

华北计算技术研究所计算机及通信技术研发部，北京100083

收稿日期:2017-02-20 出版日期:2017-10-30 发布日期:2017-10-31
作者简介:吴春春(1992-)，女（侗族），贵州剑河人，华北计算技术研究所计算机及通信技术研发部硕士研究生，研究方向：计算机体系结构，嵌入式系统；胡怀湘（1965-），男，研究员，研究方向：计算机体系结构，网络存储；金达（1982-），男，高级工程师，研究方向：计算机体系结构。

Design and Implementation of USB 3.0 Communication Architecture Based on FPGA

Research and Development Department of Computer and Communication Technology,
North China Institute of Computing Technology, Beijing 100083, China

Received:2017-02-20 Online:2017-10-30 Published:2017-10-31

摘要/Abstract

摘要： 针对USB设备与主机通信存在的带宽瓶颈问题，设计一款基于USB3.0协议的高速通信架构，为嵌入式设备与PC之间的USB数据高速通信提供一种可选方案。本设计采用Cypress的EZ-USB FX3芯片作为USB的外设控制器，以FPGA作为整个硬件系统的主控芯片，通过对FPGA硬件系统进行设计，对设备固件进行设计与调优，该架构支持USB 2.0/3.0接口自适应，能够实现主机、国产嵌入式CPU、SRAM之间的两两可变帧长通信，硬件传输速度达到360 MB/s，数据连续传输速度达到148 MB/s。

关键词: USB 3.0, FPGA, 多接口, 高速, 控制状态机

Abstract: In order to solve the problem of bandwidth bottleneck in the communication between USB and host, a high speed communication architecture based on USB3.0 protocol is designed to provide an alternative scheme for USB data communication between embedded devices and PC. This design uses the EZ-USB FX3 chip of Cypress as a USB peripheral controller, FPGA as the main control chip in the hardware system. Through the design of FPGA hardware system, design and optimization of device firmware, the architecture supports USB 2.0/3.0 adaptive interfaces, it can realize the variable frame length communication between host and domestic embedded CPU and SRAM, hardware transmission speed of 360 MB/s, continuous data transmission speeds of up to 148 MB/s.

Key words: USB 3.0, FPGA, multi-interface, high speed, FSM controller

吴春春，胡怀湘，金达，陈相宇. 基于FPGA的USB3.0通信架构设计与实现[J]. 计算机与现代化, doi: 10.3969/j.issn.1006-2475.2017.10.024.

WU Chun-chun, HU Huai-xiang, JIN Da, CHEN Xiang-yu. Design and Implementation of USB 3.0 Communication Architecture Based on FPGA[J]. Computer and Modernization, doi: 10.3969/j.issn.1006-2475.2017.10.024.

参考文献

［1］ Axelson J. USB开发大全［M］. 4版. 李鸿鹏，郑瑞霞，陈香凝，等译. 北京：人民邮电出版社， 2011.

［2］褚振勇,翁木云，高楷娟. FPGA设计及应用［M］. 3版. 西安：西安电子科技大学出版社， 2012.

［3］杨翠翠，朱向东，李帆. 基于USB3.0协议的PC与FPGA通信系统的设计［J］. 电子科技， 2014(10):136-138. 

［4］黄义,翟国芳,万旻，等. 基于Cy7c67300 USB控制器和FPGA的USB接口传输系统［J］. 电子测量技术, 2014,37(2):78-81.

［5］曾志斌，袁雨舟，姚引娣. 一种FPGA高速访问USB设备的设计方案［J］. 单片机与嵌入式系统应用， 2014（8）：46-48.

［6］余芳. FPGA与PC机USB通信的实现［D］. 哈尔滨:哈尔滨工业大学， 2010.

［7］徐文波，田耘. Xilinx FPGA开发实用教程［M］. 2版. 北京：清华大学出版社， 2012.

［8］ Cypress Semiconductor Corporation． Getting Started with EZ-USB FX3.0［EB/OL］. http://www.cypress.com/documentation/application-notes/an75705-getting-started-ez-usbr-fx3tm-zh, 2017-05-05.

［9］ Cypress Semiconductor Corporation． Designing with the EZ-USB FX3 Slave FIFO Interface［EB/OL］. http://www.cypress.com/documentation/application-notes/an65974-desi-gning-ez-usb-fx3-slave-fifo-interface, 2017-07-18.

［10］Cypress Semiconductor Corporation． Optimizing USB 3.0 Throughput with EZ-USB FX3［EB/OL］. http://www.cypress.〖KG-*2〗com/documentation/application-notes/an86947-optim-izing-usb-30-throughput-ez-usb-fx3, 2017-09-16. 

［11］杨志坤,曾博,汤国文. 基于FPGA的嵌入式系统USB接口设计［J］．电子设计工程， 2010，18(1):30-31.

［12］夏宇闻. Verilog数字系统设计教程［M］. 3版. 北京:北京航空航天大学出版社, 2015.

［13］张世伟，印世平，何运桃. USB2.0 接口传输的FPGA控制与实现［J］. 国外电子测量技术, 2009,28(11):74-76. 

［14］袁卫,张冬阳. 基于Verilog的FPGA与USB2.0高速接口设计［J］. 现代电子技术, 2009(1):161-163.

［15］王水鱼，陈璐. 基于FPGA和USB的数据采集系统的设计［J］. 微型机与应用, 2010,29(22):19-21.

［16］ Jolfaei F A, Mohammadizadeh N, Sadri M S, et al. High speed USB 2.0 interface for FPGA based embedded systems［C］// Proceedings of the 2009 4th International Conference on Embedded and Multimedia Computing. 2009:1-6. 

［17］徐超，刘冲，王永纲. 基于FPGA和USB2.0协议的通用数据传输设计［J］. 微型机与应用, 2016,35(16):41-43. 

［18］Linares-Barranco A， Gomez-Rodriguez F， Villanueva V， et al. A USB3.0 FPGA event-based filtering and tracking framework for dynamic vision sensors［C］// IEEE International Symposium on Circuits & Systems. 2015:2417-2420.

[1]	成勇健, 邓凌琪, 谭嘉俊, 杨凡, 陈亮亮. 物联网时代的便携式双通道数字示波器[J]. 计算机与现代化, 2023, 0(02): 116-120.
[2]	董勃, 王直, 于航, 刘博. 基于FPGA的高精度频率计[J]. 计算机与现代化, 2021, 0(06): 96-99.
[3]	袁焦, 王珣, 潘兆马, 杨学锋, 邹文露. 基于机器学习的列车设备故障预测模型研究[J]. 计算机与现代化, 2020, 0(12): 49-54.
[4]	陈青华1，孔祥祎2，刘崇屹3. 基于FPGA加密的水下蓝绿激光安全通信装置[J]. 计算机与现代化, 2017, 0(2): 53-56.
[5]	刘常德，徐贵力，陈曦，程月华. 基于计算机视觉的车辆违章轧线监管系统研究[J]. 计算机与现代化, 2016, 0(5): 7-12.
[6]	周明,武向农. 基于FPGA的光纤光栅传感解调系统设计[J]. 计算机与现代化, 2016, 0(11): 122-126.
[7]	于中权1,2，王一诚1,2，吴大庆1,2，陈习元1,2，张晓亮1,2，梁永青1,2. 基于System Generator的UART通讯[J]. 计算机与现代化, 2015, 0(1): 96-101.
[8]	刘雁斌1,2. 高速公路收费站防盗卡系统设计与实现[J]. 计算机与现代化, 2014, 0(4): 191-194.
[9]	张宇1，范建华2，吕遵明2，王统祥1. FPGA动态部分可重构技术概述[J]. 计算机与现代化, 2014, 0(3): 210-214.
[10]	杨晶;王元庆. 实时高速实现改进型中值滤波算法[J]. 计算机与现代化, 2013, 1(8): 30-32,4.
[11]	周大明;吕梅柏;许辉. 基于1553B总线下某型导弹发控系统的设计与仿真[J]. 计算机与现代化, 2013, 1(6): 207-211.
[12]	杨鹏飞;付修峰. 多重覆盖率导向结合断言的FPGA验证方法研究及应用[J]. 计算机与现代化, 2013, 1(5): 176-180.
[13]	吴嘉;陈少平;饶文贵. 嵌入式认知无线电实验平台设计与实现[J]. 计算机与现代化, 2013, 1(5): 145-148.
[14]	徐小锋;李汉轩. 一种实用的高速公路最优路径规划方案[J]. 计算机与现代化, 2013, 1(5): 211-214.
[15]	佘永业;赵力萱;罗东华;李熙莹;余志. 一种交通拥堵自动检测方法[J]. 计算机与现代化, 2013, 1(11): 28-33.

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