基于FPGA的遠程USB高速傳輸系統設計

張繼軍，劉小平，陶治洲，楊 芳，顧適夷，范少池

（1.中國電子科技集團公司55所，南京210016；2.重慶三峽職業學院，重慶404155；3.海軍駐重慶453廠軍事代表室，重慶400021；4.重慶江陵機械廠，重慶404020）

0 引 言

USB具有熱插拔、即插即用、數據傳輸可靠等優點，已成為當前計算機的主要接口之一。由于USB總線具有高速傳輸的特性，其廣泛應用于高保真圖像視頻傳輸、大容量數據采集等場合。但是，USB也存在不可逾越的限制——傳輸距離。

傳統的延長USB傳輸距離的方案主要有2種：一種是使用USB 2.0專用芯片和單片機配合完成USB 2.0協議，然后通過網線或電話線等實現遠距離傳輸，這種方案存在開發困難（涉及固件程序、上位機程序和驅動程序的開發）、成本高和速度低等缺點；另一種方案是將USB 2.0協議用FPGA的IP核實現，利用FPGA的高處理能力和可編程性作為主機和設備的中介，從而實現遠距傳輸。但是，開發USB 2.0協議的IP核難度較大，同時要占去FPGA很多的資源，而且更重要的是如果要實現480Mb／s的高速傳輸，FPGA的時鐘需要達到2GHz，這是困難而且不現實的。

采用了一種專業公司生產的高速USB物理層收發器（PHY）與現場可編程門陣列（FPGA）相配合的方式，利用高速USB物理層收發器來完成物理層協議，然后與現場可編程門陣列開發的符合業界標準的接口相連，進而控制了上行數據和下行數據有序的流通，實現了USB 2.0傳輸距離的延長，在保證信號傳輸正確的前提下，減少了開發周期，增加了實際運用價值，達到了高速遠距透明傳輸的目的。

1 系統總體設計方案

提出的USB高速遠程系統設計方案可實現高速（480Mb／s）遠距（10km 以上）USB協議的傳輸。系統整體設計方案如圖1所示。系統分本地和遠端兩部分，分別由PC主機、USB設備、USB電纜和收發機組成。它們都嚴格遵從USB協議規范。PC主機對整個系統進行控制，收發機完成傳輸信號的轉換并實現USB信號長距離傳輸，設備完成對PC機的響應。

圖1 系統框圖

設計的核心是遠端和本地收發機，它延長了USB信號的有效傳輸距離，打破了USB協議對傳輸距離的限制。在系統正常工作的情況下，PC主機可以實現對設備的“透明”訪問，如同將設備直接通過USB電纜連至主機一樣。收發機由3個主要模塊組成：

（1）USB物理接口；

（2）光收發模塊；

（3）FPGA控制模塊。

此外，還應有必要的供電模塊及輔助電路。

2 系統的具體實現

2.1 USB物理接口

選用美國國家半導體公司提供的USB3300作為USB物理接口模塊的核心芯片［1］。USB3300是一種在工業溫度下工作的高速USB物理層收發器 。該芯片使用低引腳計數接口（ULPI）連接ULPI兼容鏈路層。ULPI接口采用在鏈路層和PHY之間傳輸頻帶內信號和狀態字節的方法，將引腳數從UTMI＋接口的54降低到現在的12［2］。

ULPI全稱為UTMI＋低引腳接口（UTMI＋LPI），用于消除USB開發者在高速USB 2.0邏輯設計中的困難，負責處理USB總線的底層協議和信號，完成USB協議電氣層上的處理任務。UTMI的關鍵特性主要有：向邏輯電路提供標準的UTMI接口；支持480Mb／s高速模式；數據的并－串／串－并轉換；比特填充和比特解填充；比特填充錯誤的檢測；SYNC／EOP的產生和檢測；從USB的串行流中進行數據和時鐘的恢復；保持寄存器用于暫存要發送和接收的數據；檢測和發送恢復信號；檢測復位和掛起／喚醒功能；支持在全速和高速之間切換及終端阻抗的切換。這些特征都為實現高速遠距傳輸提供了實用的幫助。

通過開發符合業界標準的ULPI接口，將高速USB3300收發器整合于設計中。通過對USB3300內部寄存器的訪問來實現對該芯片的控制，ULPI USB設備框圖如圖2所示。該芯片與FPGA的接口只有12個，除8條數據線外，其它均可進行控制。節省了設計開發時間，簡化了驗證和產品測試過程，還能保證嵌入式USB核心邏輯器件與高速USB收發器的互聯互通。

圖2 基本ULPI USB設備框圖

2.2 FPGA控制模塊

2.2.1 USB協議傳輸過程

USB的事務處理包括主機發起任務、數據傳輸和設備應答［3］。事務處理必須在1幀內完成，而1幀的時間為1ms。如果在1幀時間里主機沒有得到設備的答復，則造成1次傳輸錯誤。同時，USB協議還規定，在事務處理中，應答的等待至多為18個位時間，約為1.5μs。因此，如果傳輸距離太長，傳輸導線上的延時就會超過1幀的時間，導致傳輸錯誤。為了實現高速遠距離的傳輸，必須對USB協議中的事務包進行相應的處理。

USB的事務處理主要包括IN事務處理、OUT事務處理和SETUP處理［4］。這些事務處理的本質類似，在此以IN事務處理舉例說明。一般情況下如圖3所示，USB主機向總線發出IN令牌包，通知某個設備準備向USB主機發送數據；當所指定的設備接收到令牌并驗證后，將準備好的數據組裝成DATA包由USB主機傳送出去；接著當USB主機接收到數據，經校驗確認其位填充、PID和CRC均無差錯后，創建一個ACK握手包返回給設備，通知它主機已經正確地接收到了數據，后面再進行新的事務處理。當主機收到的DATA包錯誤時，握手包將不會產生，表明此事務處理過程沒有成功，而主機等待一定時間后將會重新啟動任務。當設備沒有準備好時，它會給主機發送一個NAK握手包，表示現在還不能傳輸數據，而主機會在一定時間內重新啟動此事務。正是基于USB協議的此特征，為USB傳輸延長設計提供了理論基礎。

圖3 IN事務處理

主機發起任務，而設備沒有準備好的情況下，可以發送NAK來讓主機等待，利用這一特性，設計了高速遠距USB傳輸方案。具體的實現方案如圖4所示。

主機發送IN令牌給本地收發端，由于要遠距傳輸，設備不可能在USB協議規定的時間返回數據，于是本地收發端在將數據下行傳輸給設備的同時給主機返回一個NAK信號，讓主機一直等待。而遠端的收發端收到信號后將會直接發給設備，并將設備返回的信號上傳給本地的收端。本地收發端接收到信號后，便會繼續上傳給主機。因此，在延長USB傳輸距離的同時，實現了主機和設備的透明傳輸。

圖4 IN事務遠程傳輸

2.2.2 FPGA設計

由于不需在FPGA內部完成USB協議IP核，采用ALTEAR公司的CYCLONE III系列EP3C10芯片完全能勝任此工作［5］。并且其功能強大、成本低廉，降低了開發風險。

FPGA內部模塊如圖5如示。模塊由三部分組成：協議控制邏輯單元、ULPI接口邏輯單元和數據存儲單元。當主機向設備發送數據時，首先由高速的USB PHY完成物理層協議，然后通過8位并行總線傳輸給FPGA的ULPI接口單元，協議控制邏輯單元根據所接收到的數據進行相應的處理，向主機返回NAK命令同時又將數據下傳，或是直接給主機回復ASK命令以結束本次事務。當將數據下傳時，則會通過下行的ULPI接口與設備進行通信。同理，如果設備要向主機傳送數據時，過程類似。從上面的分析可以看出，在保證信號高速、遠距傳輸的前提下，簡化了FPGA的設計難度，降低了開發周期，減少了開發成本。

圖5 FPGA內部模塊圖

2.3 光收發模塊設計

選用美國國家半導體公司生產的S92LV1224來完成與光纖的通信。DS92LV1224是300～600Mb／s的串并轉換器，支持高速的單向串行數據傳輸。由于其支持480Mb／s傳輸速度，才完成了USB 2.0協議規定的高速傳輸。

3 結束語

討論了USB 2.0協議遠程高速傳輸的原理，提供了一種基于FPGA的遠程USB高速傳輸系統的實現方案，驗證了方案的可行性。該系統主要特點包括：

（1）遠距離。由于使用FPGA完成了USB 2.0協議的轉換，并用光纖傳輸突破了協議對傳輸距離的約束，使傳輸距離達10km以上。

（2）高速性。采用專業公司生產的USB PHY高速完成物理層協議，從而真正實現了USB 2.0協議的高速傳輸。

（3）經濟性。采用價格低廉的CYCLONE III芯片以及一些簡單的模塊實現了USB 2.0協議的遠程傳輸，從而可以輕易地組裝在現有大量支持USB 2.0協議的設備上，所以客戶使用本系統時無需另外更換硬件，達到了經濟實用的效果。

（4）簡易性。FPGA只是完成了一些簡單的邏輯控制，而不用設計復雜的USB2.0IP核，從而降低了開發難度，減少了開發風險。

綜上所述，現有方案設計簡易，經濟實用，能突破USB傳輸距離的限制，并且保證其高速傳輸特性，具有較高的實用價值。

［1］SMSC.Hi－Speed USB host device or OTG PHY with ULPI low pin interface revision 1.08［EB／OL］.http：／／www.smsc.com／index.php？tid＝143＆pid＝28＆cid＝＆tab＝4，2007－11－07.

［2］Mentor raphics Corporation，Philips，SMSC，etal.UTMI＋low pin interface specification revision［EB／OL］.http：／／www.ulpi.org／documents.html，2004－10－20.

［3］周立功.USB 2.0與OTG規范及開發指南［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2004.

［4］肖踞雄，翁鐵成，宋中慶.USB技術及其應用設計［M］.北京：清華大學出版社，2003.

［5］楊登峰.基于FPGA的USB芯片設計［J］.微電子與計算機，2004，21（6）：39－41.