基於FPGA的USB2.0接口通信
概述
本文主要介紹一種基於FPGA的FT232H接口通信開發方案。傳統的USB通信開發對工程人員的要求比較高，除了上層應用軟件以外，還需要掌握一定的USB傳輸協議、固件編程以及底層驅動等等。對於FPGA固件開發人員來說，我只關心數據如何可以正確的收發，說白了就是給我說清楚接口交互時相關信號之間的時序關係即可，其他的內容並不是這麼關心。FTDI公司的FT232H應運而生，他把USB的相關協議封裝在芯片內部，只把數據端口部分開發給工程開發人員。與市面上另外一款USB芯片（cypress的CY7C68013）相比，FT232H在模式配置上，有官方提供的工具軟件直接進行模式配置，而不需要像前者那樣，還要編寫模式配置的相關代碼，從而大大提高開發效率。
接口芯片FT232H
FT232H是一款單通道的高速USB轉UART/FIFO芯片，支持USB2.0協議。通過配套的軟件可以配置成不同的應用模式，如下圖所示：
- FT232H的內部結構
從圖1中我們可以瞭解到，FT232H芯片內部可以劃分爲UTMI_PHY、USB_protocol and FIFO ctrol、Tx/Rx Buffer、MPSSE/Multi_purpose UART/FIFO controler以及EEPROM_interface這幾部分。其中MPSSE/Multi_purpose UART/FIFO controler是面向用戶設計的IO，通過配置成不同的模式，管腳對應的定義不一樣。
我們通過把FT232H配置成同步FIFO模式，已達到最快的傳輸速率。
- FIFO模式下的拓撲結構
軟件設計
芯片工作模式配置
FT232H在出廠的時候，默認是UART模式，配置長同步FIFO模式，需要通過官方提供的配置軟件FT_PROG進行配置，配置過程十分簡單，如下：
如上圖所示，配置過程大體上可以分爲上述3個步驟。需要注意的是在進行第一步之前，PC上需要安裝好相應的驅動，才能夠識別出芯片；還有一個需要注意的地方是，Property中product_desc裏面的值可以自己修改，但是上位機一定要與之對應，否則編寫的上位機軟件有可能打不開設備。
代碼設計
- 同步FIFO模式下的讀寫時序關係
發送端（FPGA--->USB--->PC）
通常來說，爲了處理好異時鐘域數據傳輸問題，都會在FPGA端例化一個FIFO來作爲與USB接口交互的緩存。在數據發送有個需要注意的地方，當發送速率比USB傳輸速率快，FT232H內部緩存被填滿的時候（TXE#被拉高），會出現丟數據情況。在處理的時候需要特別注意一下。
我們畫一下相關時序就知道怎麼回事了。
- FIFO常規模式下時序圖
從圖中可以看出，FIFO的讀使能持續了5個clk,由於FIFO的輸出最少都有1個clk的延遲，所以這次數據傳輸只傳輸了4個有效數據，剩下一個數據只能由下一次傳輸，當然這種情況，在傳輸流式的數據是沒有問題的，碰上我之前的項目，讀寫由上位機發起，並且讀寫的數據長度也由上位機決定的時候，就會出現上位機會少接收一個數據的現象。
那麼有沒有辦法解決這種現象呢？答案是肯定的，我比較推薦的一種方法如下：
- First_word Fall through模式的時序
將例化FIFO的時候，設置成First_word Fall through模式就可以了，至於這種模式是什麼，請自行度娘腦補一下。
方法還有很多，只要時序對的上即可。
接收端（PC—>USB--->FPGA）
接收端的設計比較簡單，這裏就不展開論述了。