一種使用ARM+FPGA高速訪問USB設備的設計方案詳解

引言

目前FPGA通過USB接口獲取USB設備中數據的方案大致分為兩大類，一類為在FPGA內部實現USB設備控制，另一類為在FPGA外部實現USB設備控制。在FPGA內部實現的方案需要在FPGA內部實現USB控制器，在內部實現或者外接USB收發器。該方案的實現具有較大難度，同時由于USB協議和文件系統都相當復雜，需要使用相當多的FPGA資源，因此完全不能滿足快速開發和低FPGA資源占用率的要求。在FPGA外部實現的方案通常使用單芯片的USB解決方案，典型的方案有兩種：一種是集成了USB控制器和USB收發器，但需自行實現文件系統，如美國Cypress公司的CY7C67300;另一種是實現了包括文件系統在內的所有USB讀取U盤所需的軟硬件，只需要FPGA發送命令進行控制即可實現讀取U盤，如南京沁恒電子的CH376。在這兩類方案中，CY7C67300集成度高，但其只支持USB 1.1，傳輸速率較低;同時需要FPGA對其進行配置和控制及實現文件系統，FPGA端的開發量較大。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，不支持NTFS文件系統，無法讀取大于4 GB的大文件。另外，CH376需要FPGA進行配置和控制，因此需要實現CH376的控制邏輯并占用一定的FPGA資源。

由于現有方案均存在數據傳輸速率低、FPGA開發量大的缺點，本文提出了一種使用ARM+FPGA的方案，通過ARM處理器讀取USB設備數據并傳輸給FPGA，從而實現FPGA從USB設備獲取數據。該方案既能達到較高的數據傳輸速率，又能降低FPGA開發量，同時還具有很高的靈活性。

1 系統設計

本方案的系統設計如圖1所示。該系統由ARM處理器、FPGA和USB設備構成，FPGA通過內部開辟的異步RAM空間接收數據，ARM處理器負責將USB設備中數據通過并行總線轉發給FPGA，USB設備支持常見的U盤、照相機、移動硬盤等支持USB接口的從設備。本設計還將ARM處理器的兩個引腳與FPGA的通信。指令線用于ARM向FPGA發送準備進行數據傳輸的指令;響應線用于FPGA在接收到ARM的通知并準備好后響應ARM。與FPGA相連的DDR存儲器用于高速緩存大量圖像數據，支持常見的DDR、DDR2和DDR3等類型。

1.1 ARM處理器選擇

本方案選用的ARM處理器為韓國三星公司的S5PV210。S5PV210是一款基于ARM Cortex—A8內核的RSIC處理器，該芯片擁有強大的計算能力、豐富的內部資源和外部接口，主頻高達1 GHz，同時它還擁有優化的外部存儲器接口。外部存儲器接口為異步接口，時鐘頻率為133MHz，位寬為16位，具有完善且可調的時序控制功能，可用于連接ROM、SRAM、oneNAND、NAND Flash等多種存儲器，能滿足在高端通信服務中的數據帶寬要求。本方案使用這個接口完成數據從ARM處理器到FPGA的高速傳輸。

1.2 ARM與FPGA接口設計

本方案將FPGA異步RAM連接在ARM處理器的XM0內存總線上，作為一個位寬為16位的SRAM使用，其對應的硬件地址為0x10000000到0x1000 1002，共4 098字節。由于異步RAM的位寬為16位，故只需使用地址線ADDR 1～ADDR 13。指令線連接ARM處理器的GPIO引腳，方向為輸出，高電平有效。響應線連接ARM處理器的中斷引腳，方向為輸入，上升沿有效。

1.3 軟件設計

在本方案中，ARM處理器以幀為單位向FPGA傳輸數據。每幀長度為4 098字節，其中，幀頭長度為2字節，數據長度為4 096字節。幀格式如圖2所示。

幀類型的取值為：此幀不是最后幀為00，此幀是最后幀則為11。幀長度為幀數據的長度，以字節為單位。

本方案所設計的軟件分為兩個部分一一驅動程序和應用程序，軟件總體框圖如圖3所示。驅動程序在Linux系統中注冊硬件并提供控制硬件的功能函數，以供應用程序調用。應用程序使用驅動程序提供的功能函數控制硬件，完成整個傳輸過程。軟件總體流程圖如圖4所示。

1.3.1 驅動程序設計

本方案涉及3種驅動程序：USB驅動程序、文件系統驅動程序和FPGA驅動程序。

Linux系統有豐富完善的USB設備和文件系統支持。本方案使用Linux系統中自帶的USB Mass Storage驅動程序和文件系統驅動程序，自行編寫FPGA驅動程序。FPGA驅動程序基于Linux系統字符設備驅動程序模型進行編寫。FPGA驅動程序的主要函數有初始化函數init（）、寫入中斷服務函數write_int（）、寫入函數write（）。

初始化函數init（）首先將FPGA異步RAM對應的硬件地址0x10000000～0x10001002映射為Linux系統中的內存虛擬地址A到A+4098（設映射的內存虛擬地址起始為A），實現在Linux系統中直接向異步RAM寫入數據。然后，設置指令線、響應線所對應的寄存器。將指令線的方向設置為輸出，并輸出低電平;響應線的方向設置為中斷輸入。最后，函數將響應線中斷服務函數設置為write_int（）。

寫入函數write（）與寫入中斷服務函數write_int（）配合，完成一次數據傳輸：

①當應用程序調用寫入函數后，函數首先設置指令線為高電平指示FPGA準備傳輸數據，然后將驅動程序置于休眠狀態，等待喚醒。

②FPGA收到指令后判斷現在能否傳輸數據，如果能，則在中斷線上發送一個上升沿。ARM處理器捕捉到該上升沿后，調用write_int（），喚醒驅動程序。

③驅動程序被喚醒后，繼續執行write（）。write（）函數首先根據應用程序提供的參數生成幀頭，并將幀頭寫入地址ADDR和ADDR+1，完成幀頭的傳輸。隨后將數據寫入地址ADDR+2及其后的地址，完成數據的傳輸。

1.3.2 應用程序設計

本方案通過Linux系統的熱插拔機制自動啟動應用程序。在U盤插入USB接口后，Linux系統自動加載USB驅動和FPGA驅動并啟動應用程序。應用程序流程如圖5所示。

運行應用程序時，通過設置參數能使應用程序讀取U盤、移動硬盤甚至網絡上的文件，使方案具有很高的靈活性。應用程序使用了多線程技術來充分利用系統資源，使用兩個線程分別實現從U盤讀取數據存入緩沖區的過程和將緩沖區內的數據傳輸至FPGA的過程。在讀取線程或寫入線程中，可以加入數據處理代碼實現數據的預處理，減少FPGA工作量。應用程序分配了多個緩沖區提高性能，并使用了互斥鎖實現讀取線程與傳輸線程間的線程同步，確保數據正確傳輸。

1.4 ARM向FPGA傳輸數據設計

本方案在FPGA中實現一個異步RAM，其使用乒乓機制接收來自ARM處理器的數據，同時需要將異步RAM中的數據寫入DDR 2存儲器。異步RAM內部有兩個數據緩沖模塊。在乒乓機制中，兩個模塊分別執行不同的任務，當模塊1接收數據來自ARM處理器的數據時，模塊2將數據寫入DDR 2存儲器。當兩個模塊的任務都完成后，交換模塊1和模塊2的任務。與現有方案相比，本方案FPGA無需配置外部芯片，所需開發量較小。

2 測試與分析

2.1 傳輸速率測試

此測試傳輸3個不同大小的文件，記錄數據傳輸時間，從而獲得數據傳輸速率。

測試結果如表1所列。

由表1可知，在傳輸速率測試中，測得的最高數據傳輸速率為47.6 Mbps，比現有方案如CY7C67300、CH376的數據傳輸速率高。在傳輸速率測試中，傳輸100 KB文件的傳輸速率與傳輸1 MB和1 GB文件的傳輸速率相比偏低，而傳輸1 MB和1 GB文件的傳輸速率則相差不大。原因為：

①測試為先進行計時后開始傳輸，存在一段時間未傳輸數據。

②應用程序在傳輸開始前需要一段時間進行初始化，存在一段時間未傳輸數據。

在后兩種測試中，以上兩種未傳輸數據的時間占總時間的比重較低，因此數據傳輸速率較高。

2.2 傳輸準確率測試

此測試在FPGA內實現一個比較器，比較異步RAM接收到的數據與比較器內置數據是否一致，從而測試傳輸是否正確并確定正確率。經測試，此方案在傳輸過程中無差錯發生，傳輸正確率為100%。

結語

FPGA與ARM處理器相配合實現FPGA高速獲取U盤數據的方案，可以滿足FPGA高速讀取U盤數據的需求。在傳輸過程中無差錯，且具有良好的靈活性。本方案具有很高的實用價值。