此博客转自CSDN：http://blog.csdn.net/xx116213/article/details/50535682
1 USB 概述
USB名称解释
USB是通用串行总线（Universal Serial Bus）的缩写。能过在计算机运行过程中随意地接入，并且立刻就能投入工作，那么这样的特性叫做即插即用PnP（Plug and Play）。由于USB是主从模式的结构，设备与设备之间、主机与主机之间不能互连。为了解决这个问题，出现了USB OTG（On the go），它的做法：同一个设备，在不同场合下可以在主机与从机之间切换。
USB系统组成
usb系统的三个组成：Host、HUB和Device。
- Host：主控器，能读写usb设备的设备。例如插有U盘的电脑，那么PC就是主控器。
- HUB：扩充USB接口。
- Device(USB Device)：如硬盘、打印机、U盘等。
USB设备组成
每一个USB设备由一个或多个配置来控制其行为，使用多配置原因是对操作系统的支持；一个配置是由接口（Interface）组成；接口则是由管道（Pipe）组成；管道是和USB设备的端点（Endpoint）对应，端点都是输入输出成对的。在固件编程中，USB设备、配置、接口和管道都来描述符来报告其属性。
一个端点（Endpoint）建立一个管道。管道的端点总是成对出现，即In Endpoint和Out Endpoint。端点0默认为控制管道，其它端点可以配置成数据管道。一个具体的端点，只能工作在一种传输模式下。
- In Endpoint：由device向Host发送数据的端点。
- Out Endpoint：由Host向device发送数据的端点。
USB传输速度
USB1.0和USB1.1版本中，只支持1.5Mb/s的低速（low-speed）模式和12Mb/s的全速模式。在USB2.0种，又加入了速度更快（480Mb/s）的高速模式。而USB3.0的最大传输带宽高达5.0Gbps（625MB/s）。
USB可扩展设备
USB1.1规定最多为4层，USB2.0规定最多为6层。理论上，一个USB主控制器最多可接127个设备，这是因为协议规定每个USB设备具有一个7 bit的地址（取值范围0~127），而地址0是保留给未初始化的设备使用。
USB传输类型
虽然USB定义了数据在总线上传输的基本单位是包，但是我们还不能随意地使用包来传输数据，必须按照一定的关系把这些不同的包组织成事务才能传输数据。
事务通常由两个或者三个包组成：令牌包，数据包和握手包。
- 令牌包用来启动一个事务，总是由主机发送。
- 数据包传送数据，可以从主机到设备，也可以从设备到主机，方向由令牌包来制定。
- 握手包的发送者通常为数据接收者，当数据接收正确后，发送握手包。设备也可以使用NAK握手包来表示数据还未准备好。
USB协议规定了4种传输类型：批量传输、等时传输（同步传输），中断传输和控制传输。其中，批量传输、等时传输、中断传输每传输一次数据都是一个事务；控制传输包括三个过程，建立过程和状态过程分别是一个事务，数据过程则可能包含多个事务。4种数据传输的相关特性（仅限USB1.1协议）如下表。
| 传输模式 | 中断传输Interrupt | 批量传输Bulk | 等时传输ISO | 控制传输Control |
|---|---|---|---|---|
| 传输速率/Mbps | 12（1.5，低速） | 12 | 12 | 1.5/12 |
| 数据的最大长度/Byte | 1~64（1~8，低速） | 8/16/32/64 | 1~1023 | 1~64（1~8，低速） |
| 数据周期性 | 有 | 没有 | 有 | 没有 |
| 发送错误重传 | 是 | 是 | 否 | 是 |
| 应用设备 | 鼠标键盘 | 打印机 | 语音 | |
| 可得到的最大宽度/Mbps | 6.762（0.051低速） | 9.728 | 10.240 |
批量传输使用批量事务传输数据。一个批量事务由三个阶段：令牌包阶段，数据包阶段和握手包阶段。每个阶段都是一个独立的包。批量传输通常用于数据量大，对数据的实时性要求不高的场合。
USB2.0 数据帧
USB2.0和USB1.1规范的最大不同就是数据帧。在USB1.1规范中，USB数据采用每毫秒一个数据帧的方式进行数据传输，在毫秒数据帧的开始，USB主机首先产生帧开始（SOF）数据包，并传输当前数据帧号，后面是传输数据。对于USB2.0规范，为了支持480Mbps高速传输速度，USB2.0提出了微帧的概念，每毫秒数据帧又包含8个微帧。
USB2.0 端点缓冲区
| 传输类型 | USB1.1数据包大小 | USB2.0数据包大小 |
|---|---|---|
| 控制传输 | 8,16,32,64 | 64 |
| 批量传输 | 8,16,32,64 | 512 |
| 中断传输 | 1~64 | 1024 |
| 等时传输 | 1023 | 1024 |
2 CY7C68013与FPGA
官方资料AN61345 提供了一个示例项目，用以通过从设备 FIFO 接口将 FX2LP 连接至 FPGA。示例实现中描述的接口为各个应用执行高速度的 USB 连接事项，如数据采集、工业控制和监控以及图像处理。 
可以通过两个不同的模式将 FX2LP 连接至 FPGA。这两个模式分别为通用可编程接口（ GPIF）模式和从设备 FIFO模式。
2.1 硬件连接
| 引脚名称 | 说明 |
|---|---|
| SLRD | SLRD 引脚应由主设备激活，用以从 FIFO 读取数据。 |
| SLWR | SLWR 引脚应该由主设备激活，以将数据写入到 FIFO 内。 |
| SLOE | 是指 FIFO 输出驱动器的使能信号。 |
| FIFOADR[1:0] | 这些信号用于选择有效的端点。 |
| FD[15:0] | 16 位数据总线 |
| FLAGA/FLAGB/FLAGC/FLAGD | FIFO 使用这些标志来表示各种状态（满、空、可编程）。 |
| IFCLK | 是指与从设备 FIFO 接口同步的时钟。在本应用笔记所提供的设计中，该时钟的频率被配置为 48 MHz，并由连接至 FX2LP 的 FPGA 生成。 |
| CLKOUT | FX2LP 的 CLKOUT 引脚可以提供的时钟频率分别为 12、 24 或 48 MHz |
2.2 固件的实现
利用Cypress Suite USB提供的资源，在此基础上修改例程。
FX2LP固件 
Fw.c 文件包含 main 函数。它执行了 USB 维持的大部分操作（如进行枚举），并且每当需要自定义时，它将调用应用代码（ Slave.c）中特定名称的外部函数。一般情况下，不需要修改 Fw.c 文件。执行各个日常操作的步骤后，该函数将调用 Slave.c 所提供的外部函数，即 TD_init。（前缀TD 表示“任务调度” 。然后，它进入一个无限循环，以通过 CONTROL 端点 0 检查 SETUP 数据包的到来。该循环还会检查 USB 暂停事件，但从设备 FIFO 应用不会使用该循环。每次进入该循环时，该函数都将调用 Slave.c 文件中提供的外部函数 TD_Poll。 TD_Poll 函数用于同步化 FPGA 和 FX2LP 间所传输的数据。开始传输数据时，由于 FIFO 被配置为自动模式，因此该函数不会进行任何操作。
每个 USB 外设通过它们的 CONTROL 端点接收两个请求类型：枚举和操作。
枚举
当 与 USB 器 件 连 接 时 ， 主 机 PC 将 发 送 多 个GET_DESCRIPTOR 请求以确定器件类型及其要求。这些操作属于枚举过程的一部分。 fw.c 代码截取这些请求，并通过使用 dscr.a51 文件中所存储的数值处理请求。
操作
需要用户代码时， fw.c 将调用一个带有特定名称前缀为 DR（器件请求）的外部函数（存储在 Slave.c 文件中）。对于从设备 FIFO 这种简单的应用，只会使用一个配置和一个借口。因此， 图 14 中所显示的两对 DR_Set-Get 函数只存储由主机发送的“ Set” 值，并在主机发出“ Get” 请求时对该值进行随路。对于更加复杂的配置，您可以使用这些 DR调用（ “ hooks” ）更改摄像机的分辨率或将请求路由到两个不同的接口等。
固件代码
1 #pragma NOIV // Do not generate interrupt vectors 2 #include "fx2.h" 3 #include "fx2regs.h" 4 #include "fx2sdly.h" // SYNCDELAY macro 5 6 extern BOOL GotSUD; // Received setup data flag 7 extern BOOL Sleep; 8 extern BOOL Rwuen; 9 extern BOOL Selfpwr; 10 11 BYTE Configuration; // Current configuration 12 BYTE AlternateSetting; // Alternate settings 13 14 //----------------------------------------------------------------------------- 15 // Task Dispatcher hooks 16 // The following hooks are called by the task dispatcher. 17 //----------------------------------------------------------------------------- 18 void TD_Init( void ) 19 { // Called once at startup 20 21 CPUCS = 0x10; // CLKSPD[1:0]=10, for 48MHz operation, output CLKOUT 22 23 PINFLAGSAB = 0x08; // FLAGA - EP2EF 24 SYNCDELAY; 25 PINFLAGSCD = 0x60; // FLAGA - EP6PF 26 SYNCDELAY; 27 PORTACFG |= 0x80; 28 SYNCDELAY; 29 IFCONFIG = 0xE3; // for async? for sync? 30 SYNCDELAY; 31 CPUCS |= 0x02; 32 33 // EP4 and EP8 are not used in this implementation... 34 EP2CFG = 0xA0; //out 512 bytes, 4x, bulk 35 SYNCDELAY; 36 EP6CFG = 0xE0; // in 512 bytes, 4x, bulk 37 SYNCDELAY; 38 EP4CFG = 0x02; //clear valid bit 39 SYNCDELAY; 40 EP8CFG = 0x02; //clear valid bit 41 SYNCDELAY; 42 43 SYNCDELAY; 44 FIFORESET = 0x80; // activate NAK-ALL to avoid race conditions 45 SYNCDELAY; // see TRM section 15.14 46 FIFORESET = 0x02; // reset, FIFO 2 47 SYNCDELAY; // 48 FIFORESET = 0x04; // reset, FIFO 4 49 SYNCDELAY; // 50 FIFORESET = 0x06; // reset, FIFO 6 51 SYNCDELAY; // 52 FIFORESET = 0x08; // reset, FIFO 8 53 SYNCDELAY; // 54 FIFORESET = 0x00; // deactivate NAK-ALL 55 56 // handle the case where we were already in AUTO mode... 57 // ...for example: back to back firmware downloads... 58 SYNCDELAY; // 59 EP2FIFOCFG = 0x00; // AUTOOUT=0, WORDWIDE=0 60 61 // core needs to see AUTOOUT=0 to AUTOOUT=1 switch to arm endp‘s 62 SYNCDELAY; // 63 EP2FIFOCFG = 0x11; // AUTOOUT=1, WORDWIDE 64 SYNCDELAY; // 65 EP6FIFOCFG = 0x0D; // AUTOIN=1, ZEROLENIN=1, WORDWIDE=1 66 SYNCDELAY; 67 } 68 69 void TD_Poll( void ) 70 { // Called repeatedly while the device is idle 71 72 // ...nothing to do... slave fifo‘s are in AUTO mode... 73 74 }
TD_Init
该函数执行以下操作:
- 将 8051 时钟频率设置为 48 MHz。
1 CPUCS = 0x10; 2 …… 3 CPUCS |= 0x02;
- 配置 FIFO 标志输出。 FLAGA 被配置为 EP2 OUTFIFO 的空标志， FLAGD 被配置为 EP6 IN FIFO可编程标志（官方的例程：配置为EP6 IN FIFO 的满标志）。
1 PINFLAGSAB = 0x08; // FLAGA - EP2EF 2 SYNCDELAY; 3 PINFLAGSCD = 0x60; // FLAGA - EP6PF 4 SYNCDELAY;
- 对从设备 FIFO 接口进行配置，使之使用 48 MHz 大小的内部时钟。
1 IFCONFIG = 0xE3;
- 将 EP2 配置为 BULK-OUT 端点，并将 EP6 配置为BULK-IN 端点。该两个端点均为四倍缓冲，并使用512 字节的 FIFO。由于本设计中没有使用 EP4 和 EP8，所以它们均被取消激活。
1 EP2CFG = 0xA0; //out 512 bytes, 4x, bulk 2 SYNCDELAY; 3 EP6CFG = 0xE0; // in 512 bytes, 4x, bulk 4 SYNCDELAY; 5 EP4CFG = 0x02; //clear valid bit 6 SYNCDELAY; 7 EP8CFG = 0x02; //clear valid bit 8 SYNCDELAY;
- 复位 FIFO。
1 FIFORESET = 0x80; // activate NAK-ALL to avoid race conditions 2 SYNCDELAY; // see TRM section 15.14 3 FIFORESET = 0x02; // reset, FIFO 2 4 SYNCDELAY; // 5 FIFORESET = 0x04; // reset, FIFO 4 6 SYNCDELAY; // 7 FIFORESET = 0x06; // reset, FIFO 6 8 SYNCDELAY; // 9 FIFORESET = 0x08; // reset, FIFO 8 10 SYNCDELAY; // 11 FIFORESET = 0x00; // deactivate NAK-ALL 12 SYNCDELAY;
- 分别将端点 2 FIFO 和端点 6 配置为自动输出模式和自动输入模式，同时使用 16 位接口。
1 EP2FIFOCFG = 0x00; // AUTOOUT=0, WORDWIDE=0 2 // core needs to see AUTOOUT=0 to AUTOOUT=1 switch to arm endp‘s 3 SYNCDELAY; // 4 EP2FIFOCFG = 0x11; // AUTOOUT=1, WORDWIDE=1 5 SYNCDELAY; // 6 EP6FIFOCFG = 0x0D; // AUTOIN=1, ZEROLENIN=1, WORDWIDE=1 7 SYNCDELAY;
TD_Poll
在 fw.c 文件的无限循环中调用了 TD_Poll。因为EP2和EP6配置为自动输出和输入模式，所以不必要添加代码进行手动操作。
2.3 FPGA代码
1 library IEEE; 2 use IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL; 3 use IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL; 4 use IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; 5 6 entity fpga_master is 7 Port ( 8 fdata : inout STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0); -- FIFO data lines. 9 faddr : out STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0); -- FIFO select lines 10 slrd : out STD_LOGIC; -- Read control line 11 slwr : out STD_LOGIC; -- Write control line 12 gstate : out STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0); -- debug lines 13 14 15 flagd : in STD_LOGIC; --EP6 full flag 16 flaga : in STD_LOGIC; --EP2 empty flag 17 clk : in STD_LOGIC; --Interface Clock 18 sloe : out STD_LOGIC --Slave Output Enable control 19 ); 20 end fpga_master; 21 22 architecture rtl of fpga_master is 23 24 signal faddr_i : STD_LOGIC_VECTOR(1 downto 0); 25 26 signal slrd_i : STD_LOGIC; 27 signal slwr_i : STD_LOGIC; 28 29 signal gstate_i : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0); 30 31 signal MasterState : STD_LOGIC_VECTOR(3 downto 0); -- Counter to sequence the fifo signals. 32 33 signal sloe_i : STD_LOGIC; 34 35 shared variable cnt : integer range 0 to 9 := 0 ; 36 37 CONSTANT A: STD_LOGIC_VECTOR (3 DownTo 0) := "0000"; 38 CONSTANT B: STD_LOGIC_VECTOR (3 DownTo 0) := "0001"; 39 CONSTANT C: STD_LOGIC_VECTOR (3 DownTo 0) := "0010"; 40 CONSTANT D: STD_LOGIC_VECTOR (3 DownTo 0) := "0011"; 41 CONSTANT E: STD_LOGIC_VECTOR (3 DownTo 0) := "0100"; 42 CONSTANT F: STD_LOGIC_VECTOR (3 DownTo 0) := "0101"; 43 CONSTANT G: STD_LOGIC_VECTOR (3 DownTo 0) := "0110"; 44 CONSTANT H: STD_LOGIC_VECTOR (3 DownTo 0) := "0111"; 45 begin 46 47 slrd <= slrd_i; 48 slwr <= slwr_i; 49 faddr <= faddr_i; 50 gstate<= gstate_i; 51 sloe <= sloe_i; 52 53 54 process(clk) 55 56 variable fdatawe : natural := 0; 57 variable fifodatabyte : STD_LOGIC_VECTOR(15 downto 0) := "0000000000000000"; -- Local for now. 58 59 begin 60 if(rising_edge(clk)) then 61 62 case MasterState(3 downto 0) is 63 64 when A => -- IDLE STATE 65 66 sloe_i <= ‘1‘; 67 faddr_i <= "10"; 68 slrd_i <= ‘1‘; 69 slwr_i <= ‘1‘; 70 MasterState <= E; 71 fdatawe := 0; 72 gstate_i <= "0001"; 73 74 when E => 75 76 faddr_i <= "10"; 77 slrd_i <= ‘1‘; 78 sloe_i <= ‘1‘; 79 if (flagd = ‘1‘) then -- if Full flag is in a deasserted state 80 slwr_i <= ‘0‘; --assert slave write control signal 81 fdatawe := 0 ; 82 fdata <= fifodatabyte; 83 fifodatabyte := fifodatabyte + ‘1‘; 84 MasterState <= E; -- stay in state E 85 else 86 slwr_i <= ‘1‘; 87 MasterState <= A; --when Full flag gets asserted, move to state A 88 89 end if; 90 91 gstate_i <= "0110"; 92 93 when others =>--if an undefined state move to IDLE 94 95 faddr_i <= "00"; 96 97 slrd_i <= ‘1‘; 98 sloe_i <= ‘1‘; 99 slwr_i <= ‘1‘; 100 101 gstate_i <= "1000"; 102 MasterState <= A; 103 end case; 104 end if; 105 end process; 106 end rtl;
3 总结
CYPRESS提供了FX2LP的固件框架，使得固件开发只需修改TD_Init和TD_Poll（如果采用中断，那就修改中断函数）两个函数即可，大大缩短了开发时间。
