基于OpenVPX的高速集成處理器USB接口設(shè)計(jì)

張宇 程秀玲

摘 ? 要：文章針對傳統(tǒng)通用串行總線（USB）接口器件存在的數(shù)據(jù)傳輸速率低、無法滿足USB接口數(shù)據(jù)的快速傳輸需求問題，展開高速集成處理器USB接口的設(shè)計(jì)研究。通過基于OpenVPX的高速集成數(shù)據(jù)處理、USB接口連接方式設(shè)計(jì)、USB接口寄存器初始化，實(shí)現(xiàn)USB接口的高速通信。通過實(shí)驗(yàn)證明，該USB接口與USB 3.0接口相比有效提高了對數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，滿足數(shù)據(jù)實(shí)時高速傳輸需要。

關(guān)鍵詞：OpenVPX;高速集成處理器;通用串行總線接口

OpenVPX采用先進(jìn)的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)等更高性能的接口技術(shù)，具備強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)接口轉(zhuǎn)換能力以及更高性能的網(wǎng)絡(luò)交換能力[1]。利用OpenVPX的框架結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，可以使設(shè)備更好地適應(yīng)惡劣的環(huán)境，并且利用更高新能的接口技術(shù)，可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)參數(shù)的快速切換和傳輸，連接系統(tǒng)的功耗得到降低，支持功能更加強(qiáng)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(shí)現(xiàn)高速傳輸，還具備高度可擴(kuò)展性能、即插即用的優(yōu)勢，在人們的日常生活及工作中得到了廣泛的運(yùn)用。

1 ? ?基于OpenVPX的高速集成處理器USB接口設(shè)計(jì)

1.1 ?基于OpenVPX的高速集成數(shù)據(jù)處理

利用OpenVPX強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，將高速集成處理器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過OpenVPX進(jìn)行快速且復(fù)雜的處理，再由USB接口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中進(jìn)行后續(xù)的處理。

基于OpenVPX的高速集成數(shù)據(jù)處理需要完成對32個通道的中頻信號采樣、數(shù)字波束預(yù)合成、合成以及數(shù)據(jù)記錄等功能。主控制模板用于完成處理數(shù)據(jù)的初始化、交換網(wǎng)絡(luò)動態(tài)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(shù)據(jù)傳輸模擬信號的采樣以及數(shù)據(jù)的預(yù)處理[3]。處理模塊為3個，利用處理模塊上的各個算法實(shí)現(xiàn)對兩個通道中16路信號的預(yù)合成以及完成對數(shù)據(jù)的校正。模塊與模塊之間的數(shù)據(jù)通信采用串行總線，選用RapidIO 2.2規(guī)范，設(shè)置單通道的速率為7.36 Gbit/s。原本的RapidIO 2.2協(xié)議只具備點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式，但基于OpenVPX中的交換模塊可以實(shí)現(xiàn)任意節(jié)點(diǎn)間的多點(diǎn)與多點(diǎn)通信。

1.2 ?USB接口連接方式設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的USB接口的工作主要應(yīng)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(shù)據(jù)總線連接方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速集成，將片選信號連接在OpenVPX的外部存儲器擴(kuò)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(shù)據(jù)線通過65LVC2437雙向緩沖器與ISP2692的數(shù)據(jù)線相連。

當(dāng)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(shù)設(shè)置的方式將其放置在USB的內(nèi)部寄存器中的相應(yīng)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(shè)計(jì)還需要對USB接口器件的寄存器進(jìn)行初始化處理，滿足計(jì)算機(jī)接口的信號電平滿足設(shè)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(yīng)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(shè)備的激活、設(shè)置中斷模式以及配置和各項(xiàng)功能的中斷。

對于進(jìn)村器的讀寫操作，根據(jù)表1中的流程進(jìn)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(tài)下分兩次讀寫命令口即可讀寫各個字節(jié)中的數(shù)據(jù)。

1.4 ?實(shí)現(xiàn)USB接口與上位機(jī)通信

OpenVPX協(xié)助計(jì)算機(jī)對USB接口枚舉時需要向OpenVPX提供產(chǎn)品。將設(shè)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(yīng)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(tài)的寄存器設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，從而適應(yīng)USB接口的數(shù)據(jù)交換即可。

USB接口中設(shè)置8個中斷源，并分別通過對中斷使能寄存器的各位進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)出現(xiàn)中斷時，USB接口的INT引腳將被置低，并中斷使能寄存機(jī)的相應(yīng)位置。當(dāng)中斷發(fā)生時，帶有中斷標(biāo)志的寄存器則將狀態(tài)字映射到上位機(jī)軟磁盤當(dāng)中。因此中斷發(fā)生后，OpenVPX對USB接口可以輕易幫助上位機(jī)獲得中斷信息，若帶有中斷標(biāo)識的寄存器讀取了中斷信息，會首先向USB接口發(fā)送讀取請求，得到回應(yīng)后，才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取操作。

2 ? ?實(shí)驗(yàn)論證分析

為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的USB接口與主流USB 3.0接口的區(qū)別，將其二者進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。將本文設(shè)計(jì)的USB接口作為實(shí)驗(yàn)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(jī)相連，另一端連接下位機(jī)，在下位機(jī)運(yùn)行USB固件程序，此時在上位機(jī)的顯示屏上將會提示已安裝驅(qū)動，打開實(shí)驗(yàn)測試程序，并在其中設(shè)置緩沖區(qū)面積及發(fā)送的次數(shù)，開始實(shí)驗(yàn)。將兩組USB接口的測試結(jié)果截取，具體情況如圖1所示。

由圖1中的數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)組數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骄俾屎妥畲笏俾示哂趯φ战M，由此證明，本設(shè)計(jì)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(jié)語

隨著現(xiàn)代科技的快速發(fā)展，用戶對USB接口在數(shù)據(jù)傳輸、存儲及適應(yīng)環(huán)境等方面提出了更高的要求。本研究基于OpenVPX的優(yōu)勢設(shè)計(jì)了一種全新的高速集成處理器USB接口，達(dá)到了快速傳輸數(shù)據(jù)的目的。

[參考文獻(xiàn)]

[1]秦貞宇，盧俊強(qiáng)，鞠曉東，等.USB3.0的高速聲波測井儀通信接口設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2019（8）：44-49.

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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