如何在FPGA和ASIC设计中结合高速USB功能

作者：时间：2013-08-06来源：网络收藏

通用串行总线已经很普遍了，这是由于其使用简单，随插即用，并具有鲁棒性的优点。USB已经找到了进入曾经使用串口、并口作为其host接口的计算机外设的方式，需要接口到host计算机的产品现在也把USB作为其主要选择。USB提供多种带宽选择--低速、全速、高速、和现在的超高速--迎合了各种计算机外设以及工业和医疗设备的需要。

　　USB提供的吞吐量足够大，适合高带宽应用，如硬盘驱动器和扫描器。事实上，对于大部分计算机外设，如键盘，鼠标，PDA,游戏键盘，操纵杆，扫描仪，数码相机，打印机，USB已经是互连标准。

　　除了简单的电脑外围设备，FPGA应用也广泛存在，其可以受益于高速USB接口的增加。数字信号示波器、心电图、摄像机和数据采集系统是其中的一些例子。将USB接口添加到设备里将会大大扩展其能力。例如，在数据记录系统中（如数字储存示波器和心电图），得到实时数据可以通过主机实时传输，也可以通过网络传输这个数据，如图1所示。对于远程数据采集应用，将数字记录仪设备通过USB连接到主机也可以使设备进行远程控制，主机可以位于几英里以外，通过网络连接到USB主机。本文将探讨其设计方法，可以在FPGA或ASIC系统中实现高效高速USB 2.0接口。

图1 基于USB的分布式数据采集系统

　　在介绍整合通用串行总线接口到FPGA或ASIC系统的各种方法之前，我们需要了解一下典型USB系统的工作原理。典型的USB系统由收发器，串行接口引擎（SIE），和接口控制器构成，如图2所示。

图2 典型的USB系统

　　收发器实现了USB协议的物理层。收发器形成了主设备和从设备之间数据连结的两端。USB接收器会有差分和单端两种输出。SIE进行串行数据的编码和解码，位填充，错误校验和其他信号级处理任务。它还将并行数据转换成串行数据，反之亦然。SIE应该连接到智能master,其通过控制端点相应主设备请求实施高级USB协议。master也将实现器件功能所需的应用级任务。

　　在这篇文章中，我们将讨论三种不同的方法，实现USB接口添加到FPGA或者ASIC系统。

　　使用USB协议栈知识产权（IP）及外部收发器

　　在第一种方法中，我们可以在FPGA或ASIC中实现SIE（见图3）。