如何在FPGA和ASIC設(shè)計中結(jié)合高速USB功能

　　USB提供的吞吐量足夠大，適合高帶寬應(yīng)用，如硬盤驅(qū)動器和掃描器。事實上，對于大部分計算機外設(shè)，如鍵盤，鼠標(biāo)，PDA,游戲鍵盤，操縱桿，掃描儀，數(shù)碼相機，打印機，USB已經(jīng)是互連標(biāo)準(zhǔn)。

　　除了簡單的電腦外圍設(shè)備，FPGA應(yīng)用也廣泛存在，其可以受益于高速USB接口的增加。數(shù)字信號示波器、心電圖、攝像機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是其中的一些例子。將USB接口添加到設(shè)備里將會大大擴(kuò)展其能力。例如，在數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)中（如數(shù)字儲存示波器和心電圖），得到實時數(shù)據(jù)可以通過主機實時傳輸，也可以通過網(wǎng)絡(luò)傳輸這個數(shù)據(jù)，如圖1所示。對于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，將數(shù)字記錄儀設(shè)備通過USB連接到主機也可以使設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，主機可以位于幾英里以外，通過網(wǎng)絡(luò)連接到USB主機。本文將探討其設(shè)計方法，可以在FPGA或ASIC系統(tǒng)中實現(xiàn)高效高速USB 2.0接口。

圖1 基于USB的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　在介紹整合通用串行總線接口到FPGA或ASIC系統(tǒng)的各種方法之前，我們需要了解一下典型USB系統(tǒng)的工作原理。典型的USB系統(tǒng)由收發(fā)器，串行接口引擎（SIE），和接口控制器構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 典型的USB系統(tǒng)

　　收發(fā)器實現(xiàn)了USB協(xié)議的物理層。收發(fā)器形成了主設(shè)備和從設(shè)備之間數(shù)據(jù)連結(jié)的兩端。USB接收器會有差分和單端兩種輸出。SIE進(jìn)行串行數(shù)據(jù)的編碼和解碼，位填充，錯誤校驗和其他信號級處理任務(wù)。它還將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)，反之亦然。SIE應(yīng)該連接到智能master,其通過控制端點相應(yīng)主設(shè)備請求實施高級USB協(xié)議。master也將實現(xiàn)器件功能所需的應(yīng)用級任務(wù)。

　　在這篇文章中，我們將討論三種不同的方法，實現(xiàn)USB接口添加到FPGA或者ASIC系統(tǒng)。

　　使用USB協(xié)議棧知識產(chǎn)權(quán)（IP）及外部收發(fā)器

　　在第一種方法中，我們可以在FPGA或ASIC中實現(xiàn)SIE（見圖3）。

圖3 FPGA + USB協(xié)議棧IP + USB收發(fā)器