USB(Universal Serial Bus)是一種通用串行總線，主要用于USB主機和USB設備的通信。USB接口以其快速、即插即拔、接口規范統一及使用方便等優點成為現代數據傳輸的發展趨勢[1-2]。雖然USB2.0接口最高可達到60 MB/s(480 Mb/s)的傳輸速度，但是目前多數USB2.0設備的傳輸速度通常低于30 MB/s，難以滿足某些系統對高速數據傳輸的需求，如高清圖像、高清視頻的實時采集。本文所設計的USB2.0傳輸速度可達約49 MB/s,滿足了高速數據傳輸的要求。
1 芯片介紹
    CY7C68013A芯片是賽普拉斯半導體公司USB2.0控制器中的旗艦產品，單片集成USB2.0收發器、智能串行接口引擎和增強型8051微處理器，16 kB代碼/數據RAM，4 kB FIFO，可配置為2倍、3倍和4倍緩沖區，一個可編程GPIF接口,支持USB2.0協議規定的控制傳輸、同步傳輸、中斷傳輸以及批量傳輸。支持速率為12 Mb/s的全速傳輸和速率為480 Mb/s的高速傳輸[3-4]。
2 接口設計
2.1 硬件連接
　采用ALTERA公司CycloneIII系列的FPGA芯片作為主控器， CY7C68013A工作在SLAVE FIFO模式， 內部的CPU不參與數據傳輸，FPGA直接對芯片內部FIFO進行讀取,硬件連接如圖1所示,各信號功能如表1所示。

2.2 固件設計
    為了縮短開發周期，賽普拉斯半導體公司為用戶提供了固件框架，用戶只需在此固件的基礎上進行修改即可實現二次開發。固件的工作流程為：上電復位后，首先初始化全局變量，然后調用TD_Init()函數來配置傳輸所用到的端點和FIFO，初始化用戶自定義變量。使能中斷后，CPU進入循環中，每次循環都調用一次TD_Poll()函數，用戶程序放在此函數中。需要用戶修改的函數是TD_Init()和TD_Poll()。
    CY7C68013A內部集成8個512 B緩沖區，有12種配置方法。為了實現高速傳輸，本設計用到所有緩沖區，設置成2個端點：端點2為輸出端點，端點深度4×512 B；端點6為輸入端點，端點深度4×512 B。具體代碼如下：
void TD_Init( void )
{
    CPUCS=0x12;                //CPU工作時鐘為48 MHz
    IFCONFIG=0x43;        //同步SLAVE FIFO工作模式，
                        同步時鐘由FPGA提供，頻率為
                        48 MHz
    SYNCDELAY;
    EP2CFG=0xA0;        //端點2方向為OUT，4倍緩沖，
                        每個緩沖區大小為512 B
    SYNCDELAY;
    EP6CFG=0xE0;        //端點6方向為IN,4倍緩沖，每
                        個緩沖區大小為512 B
    SYNCDELAY;
    FIFORESET=0x80;                   //激活AK-ALL
    SYNCDELAY;
    FIFORESET=0x02;                         //復位端點2
    SYNCDELAY;
    FIFORESET=0x06;                      //復位端點6
    SYNCDELAY
    FIFORESET=0x00;                              //關閉AK-ALL
    SYNCDELAY;
    PINFLAGSAB=0xE6;             //FLAGB為端點6滿標志
    SYNCDELAY;
    PINFLAGSCD=0xF8;              //FLAGC為端點2空標志
    SYNCDELAY;
    FIFOPINPOLAR=0x00;               //所有控制信號低有效
    SYNCDELAY;
    EP2FIFOCFG=0x11;        //端點2為自動模式，寬度
                            為16 bit
    SYNCDELAY;
    EP6FIFOCFG=0x09;        //端點6為自動模式，寬度
                            為16 bit
}
void TD_Poll( void )
{
                 //為了實現高速傳輸，內部低速CPU不參
                      //與數據傳輸,讀寫FIFO由FPGA來完成，
                      //此處不需代碼
}
3 工作過程
3.1 寫入數據
    FPGA不斷檢測FLAGB(端點6滿信號)，當FLAGB為高時，端點6非滿，FPGA拉低SLWR信號，在每個IFCLK上升沿寫入一個16 bit數據；當FLAGB為低時，端點6滿，FPGA拉高SLWR信號，停止寫數。工作流程如圖2所示。

4 調試結果
    實驗用Quartus II自帶邏輯分析儀Signal Tap II對讀寫數據進行實時采樣。
4.1 寫入數據
　圖4為寫入數據的波形， FIFOADDR指向端點6，FPGA檢測到端點6非滿時，拉低SLWR信號，在SLWR低電平期間每個IFCLK上升沿寫入一個16 bit數據。為了便于看清整體傳輸過程，將寫入波形縮小，如圖5所示。

    圖5顯示了一次性將512 B數據寫入端點6所用的時間，約為5.3 ?滋s，突發數據傳輸速率為96 MB/s。在每次寫入512 B數據后會有一段約為4.9 μs的空閑時間，空閑時間是主機用來處理數據的時間，即是主機而不是CY7C68013A限制著傳輸速度。由突發傳輸階段和空閑階段可以算出平均寫入數據的速率約為49.8 MB/s。
4.2 讀出數據
    圖6為讀出數據的波形，FIFOADDR指向端點2，FPGA檢測到端點2非空時，拉低SLRD和SLOE信號，在SLRD低電平期間每個IFCLK上升沿讀出一個16 bit數據。為了便于看清整體傳輸過程，將寫入波形縮小，如圖7所示。
    圖7顯示了從端點2一次性讀出512 B數據所用的時間，約為5.3 ?滋s，突發數據傳輸速率為96 MB/s。在每次讀出512 B數據后會有一段約為5.1 ?滋s的空閑時間，空閑時間是主機用來處理數據的時間，即是主機而不是CY7C68013A限制著傳輸速度。由突發傳輸階段和空閑階段可以算出平均讀出數據的速率約為48.9 MB/s。

    本文闡述了一種高速USB2.0接口的整體設計過程，充分利用了USB2.0帶寬，讀寫速度可達49 MB/s。實踐表明，該接口可應用于高清圖像、高清視頻的實時采集系統中。
參考文獻
[1] Cypress Semiconductor Corporation. EZ-USB[R]. FX2LP  Datasheet.USA,2012.
[2] Cypress Semiconductor Corporation. EZ-USB[R]. Technical Reference Manual. USA, 2011.
[3] 胡曉軍.USB接口開發技術[M]. 西安：西安電子科技大學出版社, 2005.
[4] 戴小俊.基于USB和DSP的數據采集系統設計[J]. 電子技術應用，2007,33(1):84-86.