基于OpenVPX的高速集成處理器USB接口設計

張宇 程秀玲

摘 ? 要：文章針對傳統通用串行總線（USB）接口器件存在的數據傳輸速率低、無法滿足USB接口數據的快速傳輸需求問題，展開高速集成處理器USB接口的設計研究。通過基于OpenVPX的高速集成數據處理、USB接口連接方式設計、USB接口寄存器初始化，實現USB接口的高速通信。通過實驗證明，該USB接口與USB 3.0接口相比有效提高了對數據傳輸的速率，滿足數據實時高速傳輸需要。

關鍵詞：OpenVPX;高速集成處理器;通用串行總線接口

OpenVPX采用先進的開關網絡互聯技術等更高性能的接口技術，具備強大的計算機接口轉換能力以及更高性能的網絡交換能力[1]。利用OpenVPX的框架結構優勢，可以使設備更好地適應惡劣的環境，并且利用更高新能的接口技術，可以進一步實現對數據參數的快速切換和傳輸，連接系統的功耗得到降低，支持功能更加強大的處理器連接[2]。通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口是一種通用的高速串行接口，可實現高速傳輸，還具備高度可擴展性能、即插即用的優勢，在人們的日常生活及工作中得到了廣泛的運用。

1 ? ?基于OpenVPX的高速集成處理器USB接口設計

1.1 ?基于OpenVPX的高速集成數據處理

利用OpenVPX強大的數據處理功能，將高速集成處理器采集到的數據經過OpenVPX進行快速且復雜的處理，再由USB接口傳輸到上位機中進行后續的處理。

基于OpenVPX的高速集成數據處理需要完成對32個通道的中頻信號采樣、數字波束預合成、合成以及數據記錄等功能。主控制模板用于完成處理數據的初始化、交換網絡動態管理以及對外接口等功能。AD模塊共分為兩個，每個模塊完成16通道的數據傳輸模擬信號的采樣以及數據的預處理[3]。處理模塊為3個，利用處理模塊上的各個算法實現對兩個通道中16路信號的預合成以及完成對數據的校正。模塊與模塊之間的數據通信采用串行總線，選用RapidIO 2.2規范，設置單通道的速率為7.36 Gbit/s。原本的RapidIO 2.2協議只具備點對點的通信方式，但基于OpenVPX中的交換模塊可以實現任意節點間的多點與多點通信。

1.2 ?USB接口連接方式設計

本文設計的USB接口的工作主要應用于高速集成處理器模式中，因此，選擇16位地址總線和32位數據總線連接方式實現數據的快速集成，將片選信號連接在OpenVPX的外部存儲器擴展中，終端輸出與OpenVPX的XINTF0連接，由USB接口器件自身供電。OpenVPX的數據線通過65LVC2437雙向緩沖器與ISP2692的數據線相連。

當高速集成處理器USB接口初始化完成后，再通過電源連接的方式，將USB的D+接線拉高，并通過參數設置的方式將其放置在USB的內部寄存器中的相應位置，從而將D+接線連接到一個2.5 kΩ的電阻到電路的供電電壓上。

1.3 ?USB接口寄存器初始化

基于OpenVPX的USB接口設計還需要對USB接口器件的寄存器進行初始化處理，滿足計算機接口的信號電平滿足設置要求。USB接口地址寄存器、中斷配置寄存器和方式寄存器對應的初始化流程，如表1所示。

USB接口寄存器初始化處理主要用于對設備的激活、設置中斷模式以及配置和各項功能的中斷。

對于進村器的讀寫操作，根據表1中的流程進行后可先向命令窗口輸入要尋址的寄存器子地址和操作類型，再在READY狀態下分兩次讀寫命令口即可讀寫各個字節中的數據。

1.4 ?實現USB接口與上位機通信

OpenVPX協助計算機對USB接口枚舉時需要向OpenVPX提供產品。將設備代碼燒寫到符合總線接口的帶電可擦可編程只讀存儲器中，并連接到USB接口的對應引腳上。在USB接口枚舉的過程中，在串行接口引擎的作用下可以自動完成枚舉。對OpenVPX的初始化處理只需要對等待狀態的寄存器設置相應參數，從而適應USB接口的數據交換即可。

USB接口中設置8個中斷源，并分別通過對中斷使能寄存器的各位進行設置，當出現中斷時，USB接口的INT引腳將被置低，并中斷使能寄存機的相應位置。當中斷發生時，帶有中斷標志的寄存器則將狀態字映射到上位機軟磁盤當中。因此中斷發生后，OpenVPX對USB接口可以輕易幫助上位機獲得中斷信息，若帶有中斷標識的寄存器讀取了中斷信息，會首先向USB接口發送讀取請求，得到回應后，才能實現數據讀取操作。

2 ? ?實驗論證分析

為驗證本文設計的USB接口與主流USB 3.0接口的區別，將其二者進行對比實驗。將本文設計的USB接口作為實驗組，USB 3.0接口作為對照組。將兩組USB電纜線的一端與上位機相連，另一端連接下位機，在下位機運行USB固件程序，此時在上位機的顯示屏上將會提示已安裝驅動，打開實驗測試程序，并在其中設置緩沖區面積及發送的次數，開始實驗。將兩組USB接口的測試結果截取，具體情況如圖1所示。

由圖1中的數據可知，實驗組數據傳輸的平均速率和最大速率均高于對照組，由此證明，本設計中的USB接口更具高效性，充分滿足了用戶對USB接口快速、靈活、方便的要求。

3 ? ?結語

隨著現代科技的快速發展，用戶對USB接口在數據傳輸、存儲及適應環境等方面提出了更高的要求。本研究基于OpenVPX的優勢設計了一種全新的高速集成處理器USB接口，達到了快速傳輸數據的目的。

[參考文獻]

[1]秦貞宇，盧俊強，鞠曉東，等.USB3.0的高速聲波測井儀通信接口設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2019（8）：44-49.

[2]黃海，王瑩，呂玉嫦，等.基于STM32的USB接口協議技術的研究與實現[J].氣象水文海洋儀器，2019（3）：72-74.

[3]郭皎，巨漢基，崔文武，等.基于USB方式的采集終端4G遠程通信模塊設計[J].自動化與儀表，2019（11）：56-58，63.

Abstract：In view of the problem that the traditional universal serial bus architecture （USB） interface device has low data transmission rate and can not meet the rapid transmission demand of USB interface data， the design and research of high speed integrated processor USB interface is carried out in this paper. Through high-speed integrated data processing based on OpenVPX， design of USB interface connection mode and initialization of interface register， high-speed communication of USB interface is realized. The experimental results show that the USB interface can effectively improve the rate of data transmission compared with the USB 3.0 interface and meet the needs of real-time high-speed data transmission.

Key words：OpenVPX; high speed integrated processor; universal serial bus interface