[發(fā)明專利]一種FPGA高速讀取USB接口數(shù)據(jù)的方法

有效

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• 申請日: 2014-02-28
• 公開（公告）號: CN103838694B
• 公開（公告）日: 2017-02-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 姚引娣
• 申請（專利權(quán)）人: 西安郵電大學(xué)
• 主分類號: G06F13/38
• 分類號: G06F13/38
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電子設(shè)備的USB接口領(lǐng)域，尤其涉及一種基于FPGA實現(xiàn)USB接口高速獲取大容量數(shù)據(jù)的方法。

背景技術(shù)

USB具有傳輸速率快、即插即用、靈活性高、成本低和簡便易用等特點，USB接口越來越受消費者、研究者的青睞，USB標(biāo)準(zhǔn)接口正逐漸取代其他接口，成為計算機(jī)外部設(shè)備應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)接口。而FPGA由于其具有高集成度、高速、可編程等優(yōu)點，推動了數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的單片化、自動化發(fā)展，在超高速信號處理和實時測控方面有非常廣泛的應(yīng)用。因此，將FPGA與USB接口結(jié)合，使FPGA能夠通過USB接口實現(xiàn)高速讀取外部設(shè)備的數(shù)據(jù)己成為嵌入式電子系統(tǒng)設(shè)計的重要手段。

具有USB接口的設(shè)備可分為從設(shè)備和主設(shè)備。目前FPGA作為從設(shè)備，通過USB接口實現(xiàn)與上位機(jī)(通常指計算機(jī))的通信較為成熟，應(yīng)用較廣的方案為上位機(jī)通過CY68013芯片實現(xiàn)與FPGA之間的通信，由于上位機(jī)一般體積較大，它約束了以FPGA為主的便攜式嵌入式系統(tǒng)的推廣。目前FPGA作為主設(shè)備實現(xiàn)高速讀取U盤、SD卡、數(shù)碼相機(jī)、移動硬盤等USB設(shè)備的數(shù)據(jù)存在困難，其原因有二，一是FPGA作為主設(shè)備，在其內(nèi)部實現(xiàn)USB控制和傳輸協(xié)議較為困難，它需要實現(xiàn)USB底層傳輸協(xié)議，和USB控制協(xié)議；USB底層協(xié)議如果自己開發(fā)，工作量大，如果采用IP核，需要付專利費；同時USB控制協(xié)議一般需要通過內(nèi)建一個CPU軟核來實現(xiàn)，這導(dǎo)致設(shè)計復(fù)雜，并且也占用較多的FPGA片上資源。二是FPGA外部采用專用USB芯片的解決方案。

典型的方案有兩種：第一種是集成了USB控制器和USB收發(fā)器，但需自行實現(xiàn)文件系統(tǒng)；另一種則是實現(xiàn)了包括文件系統(tǒng)在內(nèi)的所有USB讀取U盤所需的軟硬件，只需要FPGA發(fā)送命令進(jìn)行控制即可實現(xiàn)讀取U盤。

在這兩類方案中，CY7C67300集成度高，但其只支持USB1.1，傳輸速率較慢，同時需要FPGA對其進(jìn)行配置和控制和實現(xiàn)文件系統(tǒng)，F(xiàn)PGA端的開發(fā)量較大。CH376支持USB2.0接口，是一個真正的單芯片解決方案。但CH376只支持FAT16／32文件系統(tǒng)，不支持NTFS文件系統(tǒng)，無法讀取大于4GB的大文件；同時CH376需要FPGA進(jìn)行配置和控制，因此需要實現(xiàn)CH376的控制邏輯并占用一定的FPGA資源而實際CH376芯片數(shù)據(jù)傳輸平均速度較慢，難以滿足高速傳輸要求。

鑒于上述缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過長時間的研究和實踐終于獲得了本創(chuàng)作。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種FPGA高速讀取USB接口數(shù)據(jù)的方法，用以克服上述技術(shù)缺陷。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種FPGA高速讀取USB接口數(shù)據(jù)的方法，該具體過程為：

步驟1，ARM處理器初始化；

ARM處理器完成自身操作系統(tǒng)的加載，與數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)部分的初始化工作，在USB外設(shè)插入后，完成USB設(shè)備驅(qū)動的加載；

步驟2，監(jiān)控FPGA初始化工作；

如果FPGA完成自身系統(tǒng)加載工作，F(xiàn)PGA會通過響應(yīng)線向ARM處理器發(fā)出響應(yīng)信號，表明已準(zhǔn)備好接受數(shù)據(jù)，此時ARM處理器會通過信號指示燈指示用戶進(jìn)入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)階段；

步驟3，被傳數(shù)據(jù)參數(shù)提取；

ARM處理器讀入USB外設(shè)被傳數(shù)據(jù)信息，計算傳輸次數(shù)；

步驟4，啟動數(shù)據(jù)傳輸；

ARM處理器將USB外設(shè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給FPGA；

步驟5，判斷FPGA準(zhǔn)備接收狀態(tài)；

步驟6，組幀轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；

ARM處理器中的轉(zhuǎn)發(fā)模塊將待發(fā)的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包處理，添加幀頭信息，包括是否最后一包數(shù)據(jù)以及有效數(shù)據(jù)長度，F(xiàn)PGA可以判定數(shù)據(jù)是否完全發(fā)送完畢以及提取每幀有效數(shù)據(jù)；

步驟7，判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢；

ARM處理器中的控制模塊計算所有數(shù)據(jù)是否發(fā)送完畢，如果沒有完畢，轉(zhuǎn)入步驟5繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，如果發(fā)送完畢，則停止發(fā)送數(shù)據(jù)；

步驟8，結(jié)束數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；

在轉(zhuǎn)發(fā)完數(shù)據(jù)后，ARM處理器關(guān)閉對USB外設(shè)的操作，通過指示燈提示數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。

進(jìn)一步，上述步驟4包括兩個過程，分別為從USB外設(shè)讀入ARM處理器的內(nèi)存緩存器以及將內(nèi)存緩存器的數(shù)據(jù)組幀轉(zhuǎn)發(fā)給FPGA兩個過程，

采用″乒乓方式″讀取USB外設(shè)數(shù)據(jù)，即，ARM處理器開辟兩個緩存空間，以便在進(jìn)行當(dāng)前緩存空間組幀發(fā)送的同時，ARM將USB外設(shè)數(shù)據(jù)讀入另一緩存空間。