USB(通用串行总线)是英特尔、微软、IBM、康柏等公司1994年联合制定的一种通用串行总线规范，它解决了与网络通信问题，而且端口扩展性能好、容易使用。最新的USB2.0支持3种速率：低速1.5 Mbit/s，全速12 Mbit/s，高速480 Mbit/s。这3种速率可以满足目前大部分外设接口的需要。

本文介绍了目前使用较多的USB2.0控制器CY7C68013芯片与FPGA(现场可编程门阵列)芯片接口的Verilog HDL(硬件描述语言)实现。本系统可扩展，完全可用于其他高速数据采集系统中。

1 系统构成

本系统主要是由FPGA和USB2.0控制器CY7C268013组成，系统框图及其信号连接关系如图1所示。可以根据实际系统的需要，用FPGA实现预定功能，如数据采集卡、控制硬盘读写等。

1.1 控制器CY7C68013

Cypress公司的EZ-USB FX 2是第一个包含USB2.0的集成微控制器，它内部集成了1个增强型的8051、1个智能USB串行接口引擎、1个USB数据收发器、3个8位I/O口、16位地址线、8.5 kB RAM和4 kBFIFO等。增强性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。其框图如图2所示。

1.1.1 CY7C68013结构特点

EZ-USB FX2提供了一种独持架构，使USB接口和应用环境直接共享FIFO，而微控制器可不参与数据传输，但允许以FIFO或RAM的方式访问这些共享FIFO，这种被称之为"量子FIFO"的处理架构，较好地解决了USB高速模式的带宽问题。

FX2芯片在数据传输时主要利用了4 kB的FIFO，分为7个端点：EPOIN&OUT、EP1IN、EP1OUT、EP2、EP4、EP6和EP8。其中EPO、EPlIN和EP1OUT是3个64 B的缓存，只能被固件访问，EP0是一个默认的数据输入输出端口缓存；EP1IN和EP1OUT是单独的64 B缓存，呵以配置这些端点为块传输、中断传输或同步传输；端点2、4、6、8是大容量高带宽的数据传输端点，可以配置为各种带宽以满足实际需要，端点2、4是输出端点，端点6、8是输入端点。值得注意的是，端点4、8能配置为每帧512 B，而端点2、6却能配置为每帧512 B或1 024 B，并可配置为2、3、4级，这样EP2或EP6最大能配置为4 kB的缓存。

其在内部的传输控制是通过full(满)和empty(空)两个控制信号来完成的，当full为真时不能再写数据，当empty为真时不能再对FIFO进行读，其内部数据传输示意图如图3所示。

如图3所示，USB执行OUT传输，将EP2端点设成512 B四重FIFO。在USB端和外部接门端都并不知道有四重FIFO。USB端只要有1个FIFO为"半满"，就可以继续发送数据。当操作的FIFO写"满"时，FX2自动将其转换到外部接口端，排队等候读取；并将USB接口队列中下一个为"空"的FIFO转移到USB接口上，供其继续写数据。外部接门端与此类似，只要有1个FIFO为"半满"，就可以继续读取数据。当前操作的FIFO读"空"时，FX2自动将其转换到USB接口端，排队等候写入；并将外部接口队列中下一个为"满"的FIFO转移到外部接口上，供其继续读取。

1.1.2 Fx2接口方式

FX2有Slave FIFO和GPIF两种接口方式。

Slave FIFO是从机方式，即FX的CPU不直接参与USB数据处理，而是简单地把FX作为USB和外部数据处理逻辑(如ASIC、DSP和IDE(串行接口引擎)控制器)之间的通道，数据流并不经过CPU，而是通过FX的FIFO直接传输。FIFO通过外部主机控制，同时，FIFO提供所需的时序信号、握手信号(满、空等)和输出使能等。

可编程接口GPIF是主机方式，GPIF作为内部主机控制端点FIFO，其core是一个可编程状态机，可以生成多达6个控制输出信号和9个地址输出信号，能外接6个外部Ready输入信号和2个内部Ready输入信号。通过用户自定义的波形描述符来控制状态机，使用软件编程读写控制波形，几乎可以对任何8/16 hit接口的控制器、存储器和总线进行数据的主动读写，非常灵活。