基于FPGA的远程USB高速传输系统设计

张继军，刘小平，陶治洲，杨 芳，顾适夷，范少池

（1.中国电子科技集团公司55所，南京210016；2.重庆三峡职业学院，重庆404155；3.海军驻重庆453厂军事代表室，重庆400021；4.重庆江陵机械厂，重庆404020）

0 引 言

USB具有热插拔、即插即用、数据传输可靠等优点，已成为当前计算机的主要接口之一。由于USB总线具有高速传输的特性，其广泛应用于高保真图像视频传输、大容量数据采集等场合。但是，USB也存在不可逾越的限制——传输距离。

传统的延长USB传输距离的方案主要有2种：一种是使用USB 2.0专用芯片和单片机配合完成USB 2.0协议，然后通过网线或电话线等实现远距离传输，这种方案存在开发困难（涉及固件程序、上位机程序和驱动程序的开发）、成本高和速度低等缺点；另一种方案是将USB 2.0协议用FPGA的IP核实现，利用FPGA的高处理能力和可编程性作为主机和设备的中介，从而实现远距传输。但是，开发USB 2.0协议的IP核难度较大，同时要占去FPGA很多的资源，而且更重要的是如果要实现480Mb／s的高速传输，FPGA的时钟需要达到2GHz，这是困难而且不现实的。

采用了一种专业公司生产的高速USB物理层收发器（PHY）与现场可编程门阵列（FPGA）相配合的方式，利用高速USB物理层收发器来完成物理层协议，然后与现场可编程门阵列开发的符合业界标准的接口相连，进而控制了上行数据和下行数据有序的流通，实现了USB 2.0传输距离的延长，在保证信号传输正确的前提下，减少了开发周期，增加了实际运用价值，达到了高速远距透明传输的目的。

1 系统总体设计方案

提出的USB高速远程系统设计方案可实现高速（480Mb／s）远距（10km 以上）USB协议的传输。系统整体设计方案如图1所示。系统分本地和远端两部分，分别由PC主机、USB设备、USB电缆和收发机组成。它们都严格遵从USB协议规范。PC主机对整个系统进行控制，收发机完成传输信号的转换并实现USB信号长距离传输，设备完成对PC机的响应。

图1 系统框图

设计的核心是远端和本地收发机，它延长了USB信号的有效传输距离，打破了USB协议对传输距离的限制。在系统正常工作的情况下，PC主机可以实现对设备的“透明”访问，如同将设备直接通过USB电缆连至主机一样。收发机由3个主要模块组成：

（1）USB物理接口；

（2）光收发模块；

（3）FPGA控制模块。

此外，还应有必要的供电模块及辅助电路。

2 系统的具体实现

2.1 USB物理接口

选用美国国家半导体公司提供的USB3300作为USB物理接口模块的核心芯片［1］。USB3300是一种在工业温度下工作的高速USB物理层收发器 。该芯片使用低引脚计数接口（ULPI）连接ULPI兼容链路层。ULPI接口采用在链路层和PHY之间传输频带内信号和状态字节的方法，将引脚数从UTMI＋接口的54降低到现在的12［2］。

ULPI全称为UTMI＋低引脚接口（UTMI＋LPI），用于消除USB开发者在高速USB 2.0逻辑设计中的困难，负责处理USB总线的底层协议和信号，完成USB协议电气层上的处理任务。UTMI的关键特性主要有：向逻辑电路提供标准的UTMI接口；支持480Mb／s高速模式；数据的并－串／串－并转换；比特填充和比特解填充；比特填充错误的检测；SYNC／EOP的产生和检测；从USB的串行流中进行数据和时钟的恢复；保持寄存器用于暂存要发送和接收的数据；检测和发送恢复信号；检测复位和挂起／唤醒功能；支持在全速和高速之间切换及终端阻抗的切换。这些特征都为实现高速远距传输提供了实用的帮助。

通过开发符合业界标准的ULPI接口，将高速USB3300收发器整合于设计中。通过对USB3300内部寄存器的访问来实现对该芯片的控制，ULPI USB设备框图如图2所示。该芯片与FPGA的接口只有12个，除8条数据线外，其它均可进行控制。节省了设计开发时间，简化了验证和产品测试过程，还能保证嵌入式USB核心逻辑器件与高速USB收发器的互联互通。

图2 基本ULPI USB设备框图

2.2 FPGA控制模块

2.2.1 USB协议传输过程

USB的事务处理包括主机发起任务、数据传输和设备应答［3］。事务处理必须在1帧内完成，而1帧的时间为1ms。如果在1帧时间里主机没有得到设备的答复，则造成1次传输错误。同时，USB协议还规定，在事务处理中，应答的等待至多为18个位时间，约为1.5μs。因此，如果传输距离太长，传输导线上的延时就会超过1帧的时间，导致传输错误。为了实现高速远距离的传输，必须对USB协议中的事务包进行相应的处理。

USB的事务处理主要包括IN事务处理、OUT事务处理和SETUP处理［4］。这些事务处理的本质类似，在此以IN事务处理举例说明。一般情况下如图3所示，USB主机向总线发出IN令牌包，通知某个设备准备向USB主机发送数据；当所指定的设备接收到令牌并验证后，将准备好的数据组装成DATA包由USB主机传送出去；接着当USB主机接收到数据，经校验确认其位填充、PID和CRC均无差错后，创建一个ACK握手包返回给设备，通知它主机已经正确地接收到了数据，后面再进行新的事务处理。当主机收到的DATA包错误时，握手包将不会产生，表明此事务处理过程没有成功，而主机等待一定时间后将会重新启动任务。当设备没有准备好时，它会给主机发送一个NAK握手包，表示现在还不能传输数据，而主机会在一定时间内重新启动此事务。正是基于USB协议的此特征，为USB传输延长设计提供了理论基础。

图3 IN事务处理

主机发起任务，而设备没有准备好的情况下，可以发送NAK来让主机等待，利用这一特性，设计了高速远距USB传输方案。具体的实现方案如图4所示。

主机发送IN令牌给本地收发端，由于要远距传输，设备不可能在USB协议规定的时间返回数据，于是本地收发端在将数据下行传输给设备的同时给主机返回一个NAK信号，让主机一直等待。而远端的收发端收到信号后将会直接发给设备，并将设备返回的信号上传给本地的收端。本地收发端接收到信号后，便会继续上传给主机。因此，在延长USB传输距离的同时，实现了主机和设备的透明传输。

图4 IN事务远程传输

2.2.2 FPGA设计

由于不需在FPGA内部完成USB协议IP核，采用ALTEAR公司的CYCLONE III系列EP3C10芯片完全能胜任此工作［5］。并且其功能强大、成本低廉，降低了开发风险。

FPGA内部模块如图5如示。模块由三部分组成：协议控制逻辑单元、ULPI接口逻辑单元和数据存储单元。当主机向设备发送数据时，首先由高速的USB PHY完成物理层协议，然后通过8位并行总线传输给FPGA的ULPI接口单元，协议控制逻辑单元根据所接收到的数据进行相应的处理，向主机返回NAK命令同时又将数据下传，或是直接给主机回复ASK命令以结束本次事务。当将数据下传时，则会通过下行的ULPI接口与设备进行通信。同理，如果设备要向主机传送数据时，过程类似。从上面的分析可以看出，在保证信号高速、远距传输的前提下，简化了FPGA的设计难度，降低了开发周期，减少了开发成本。

图5 FPGA内部模块图

2.3 光收发模块设计

选用美国国家半导体公司生产的S92LV1224来完成与光纤的通信。DS92LV1224是300～600Mb／s的串并转换器，支持高速的单向串行数据传输。由于其支持480Mb／s传输速度，才完成了USB 2.0协议规定的高速传输。

3 结束语

讨论了USB 2.0协议远程高速传输的原理，提供了一种基于FPGA的远程USB高速传输系统的实现方案，验证了方案的可行性。该系统主要特点包括：

（1）远距离。由于使用FPGA完成了USB 2.0协议的转换，并用光纤传输突破了协议对传输距离的约束，使传输距离达10km以上。

（2）高速性。采用专业公司生产的USB PHY高速完成物理层协议，从而真正实现了USB 2.0协议的高速传输。

（3）经济性。采用价格低廉的CYCLONE III芯片以及一些简单的模块实现了USB 2.0协议的远程传输，从而可以轻易地组装在现有大量支持USB 2.0协议的设备上，所以客户使用本系统时无需另外更换硬件，达到了经济实用的效果。

（4）简易性。FPGA只是完成了一些简单的逻辑控制，而不用设计复杂的USB2.0IP核，从而降低了开发难度，减少了开发风险。

综上所述，现有方案设计简易，经济实用，能突破USB传输距离的限制，并且保证其高速传输特性，具有较高的实用价值。

［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与OTG规范及开发指南［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2004.

［4］肖踞雄，翁铁成，宋中庆.USB技术及其应用设计［M］.北京：清华大学出版社，2003.

［5］杨登峰.基于FPGA的USB芯片设计［J］.微电子与计算机，2004，21（6）：39－41.