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USBを使う

このページでは、Artix-7ボードのUSB3.0の使い方を説明します。

1. まず、USB3.0サンプルプロジェクトをダウンロードします。

2. サンプルプロジェクトには、次の階層構造で各モジュールが配置されています。

  • fx3sfsync16p.vhdは下位の階層を担当するステートマシンで、SLOEやSLRDなどの信号の制御を行います。
  • fx3sfsync16.vhdは、上位のステートマシンで、あと何バイト送ればよいか、などという管理をします。
  • clkgenは、50MHzの水晶クロックを100MHzにします。
  • bigmemは、524288バイトのBlockRAMです。
  • main.vhdがメインのモジュールです。
  • main.ucfはピン配置などの制約ファイルです。

ユーザはmain.vhdをカスタマイズしてユーザ回路を作ります。

fx3sfsync16.vhdとfx3sfsync16p.vhdが特電の提供するFX3インタフェース用コアです。

(blogana.vhdは、当社の提供するJTAGデバッグ用コアです。これは削除していただいて構いません。)

USB3.0 FX3-IPコアの使い方

当IPコアを使うと、EZ-USB FX3とユーザデザインの間を簡単に接続することができ、またWindows上からインテリジェントな入出力のコマンドを与えることができるようになります。

コアの入出力ポートの定義を示します。

 

 

entity fx3sfsync16 is
Generic (
FX3_DATABUS_SIZE      : integer := 32;
USR_DATABUS_SIZE      : integer := 32
);
Port (
    -- ezusb fx3 port
fx3_pclk_op           : out   std_logic;
fx3_data_bp           : inout std_logic_vector(FX3_DATABUS_SIZE-1 downto 0);
fx3_flaga_ip          : in    std_logic;
fx3_flagb_ip          : in    std_logic;
fx3_sloe_op           : out   std_logic;
fx3_slrd_op           : out   std_logic;
fx3_slcs_op           : out   std_logic;
fx3_slwr_op           : out   std_logic;
fx3_addr_op           : out   std_logic_vector(1 downto 0);
fx3_pktend_op         : out   std_logic;
fx3_reset_bp          : inout std_logic;

    -- user interface port (mandantory)
clk100m_i             : in   std_logic;
reset_i               : in   std_logic; -- active high

bulkout_ready_i       : in   std_logic; -- not implement yet
bulkout_wait_i        : in   std_logic; -- User circuit is ready but nomore
--  data cannot be received.
bulkout_start_o       : out  std_logic; -- Start timing of bulkout (SOF)
bulkout_busy_o        : out  std_logic; -- now running.
bulkout_end_o         : out  std_logic; -- End timing. (EOF)
bulkout_dvalid_o      : out  std_logic; -- Received data is valid
bulkout_data_o        : out  std_logic_vector(USR_DATABUS_SIZE-1 downto 0);

bulkin_ready_i        : in   std_logic; -- not implement yet
bulkin_start_o        : out  std_logic; -- Bulkin start (SOF)
bulkin_busy_o         : out  std_logic; -- now running.
bulkin_end_o          : out  std_logic; -- Bulkin end (EOF)
bulkin_data_i         : in   std_logic_vector(USR_DATABUS_SIZE-1 downto 0);
bulkin_dreq_o         : out  std_logic; -- Bulkin data request
bulkin_dvalid_i       : in   std_logic; -- Send data is valid
bulkin_abort_i        : in   std_logic; -- Abort and send PKTEND

datalen_o             : out std_logic_vector(31 downto 0);
addr_o                : out std_logic_vector(31 downto 0);
flag_o                : out std_logic_vector(15 downto 0);
debug_o               : out std_logic_vector(31 downto 0) -- for debug
);

end fx3sfsync16;

 

 

わかりやすく図にすると、次の図のようになります。

 

 

 

※注意点

  • 図の左側、「fx3_」で始まるポートはFX3にそのまま繋いでください。
  • 「bulkout_*」で始まるポートはBulkOutのときに使い、bulkin_*で始まるポートはBulkOutのときに使います。
  • FX3_DATABUS_SIZEとUSR_DATABUS_SIZEは32にしてください。

 

各ポートの使用方法の詳細

各ポートの機能と使用方法について説明します。

 

分類 信号名 方向 機能
FX3

fx3_pclk_op

出力 FPGAの外に直結すること

fx3_data_bp

双方向

FPGAの外に直結すること

fx3_flaga_ip

入力

FPGAの外に直結すること

fx3_flagb_ip

入力

FPGAの外に直結すること

fx3_sloe_op

出力

FPGAの外に直結すること

fx3_slrd_op

出力

FPGAの外に直結すること

fx3_slcs_op

出力

FPGAの外に直結すること

fx3_slwr_op

出力

FPGAの外に直結すること

fx3_addr_op

出力

FPGAの外に直結すること

fx3_pktend_op

出力

FPGAの外に直結すること

fx3_reset_bp

双方向

openにすること(Artix-7ボードでは使用しない)

 

clk100m_i

入力 クロック入力100MHz

reset_i

入力

Hでコアをリセット

BulkOut

bulkout_ready_i

入力 ユーザ回路がOUT転送を受け入れる準備ができていることを示す

bulkout_wait_i

入力 ユーザ回路が次のデータを受け入れる準備ができていないことを示す

bulkout_start_o

出力 OUT転送の開始時に1クロックだけアサートされる

bulkout_busy_o

出力 OUT転送が実行中であることを示す

bulkout_end_o

出力 OUT転送の終了時に1クロックだけアサートされる

bulkout_dvalid_o

出力

bulkout_data_o[31:0]が有効であることを示す

bulkout_data_o[31:0]

出力 OUT転送で受信したデータが出力される
BulkIn

bulkin_ready_i

入力 ユーザ回路がIN転送を開始できる準備ができていることを示す

bulkin_start_o

出力 IN転送の開始時に1クロックだけアサートされる

bulkin_busy_o

出力 IN転送が実行中であることを示す

bulkin_end_o

出力 IN転送の終了時に1クロックだけアサートされる

bulkin_data_i[31:0]

入力 IN転送で送信するデータを入力する

bulkin_dreq_o

出力 コアがデータの送信を要求している

bulkin_dvalid_i

入力

bulkin_data_i[31:0]に有効なデータがあることを示す

bulkin_abort_i

入力 IN転送を途中で打ち切る
Option

datalen_o[31:0]

出力 OUTまたはIN転送のデータサイズ(4バイト単位)

addr_o[31:0]

出力 転送するターゲットの開始アドレス

flag_o[15:0]

出力 転送する際のフラグ

debug_o[31:0]

出力 デバッグ用出力(オープンにすること)

FX3用ポートについて

FX3用ポートは、FPGAの外にそのまま出して、EZ-USB FX3に直結してください。

BulkOut用(PC→FPGA)ポートについて

ユーザ回路が、OUT転送を受け入れる準備ができたならば、bulkout_ready_iに'1'を与えます。

 

ホストPCからOUT転送が発行されると、bulkout_startが1クロックの間アサートされてOUT転送が発生したことを知らせます。その後、その一連のOUT転送が継続している間はbulkout_busy_oが'1'なります。OUT転送が終了するときに、bulkout_end_oが1クロックの間'1'になります。

 

 

受信したデータは、bulkout_data_o[31:0]から出力されます。bulkout_dvalid_oが'1'になっているとき、受信したデータが有効であることを示します。ユーザ回路は次のデータを受け入れる余裕がないときには、bulkout_wait_iを'1'にしてWAITをかけます。ただし、コアはすぐにデータを停止させることはできません。WAITをかけてから実際にデータの出力が止まるまでには6ロックの遅延があります。したがって、WAITをかける可能性がある場合には、ユーザ回路側でFIFOを持つようにして、あと数個のデータでFIFOがFULLになるというタイミングでWAITをかけるようにしてください。

 

 

実機での動作タイミングを次の図に示します。

これは、OUT転送の開始してから16ワードのデータを受信して終了するまでの波形です。

 

次の図は、ユーザ回路がWAITをかけた場合です。bulkout_wait_iがアサートされてから実際のデータが停止するまでに6クロックかかっていることがわかります。

bulkout_wait_iを'0'に戻すと、コアはデータの出力を再開します。

 

 

BulkIn用(FPGA→PC)ポートについて

ユーザ回路が、IN転送を受け入れる準備ができたならば、bulkin_ready_iに'1'を与えます。

 

ホストPCからIN転送が要求されると、bulkin_startが1クロックの間アサートされてIN転送を要求していることを知らせます。その後、その一連のIN転送が継続している間はbulkin_busy_oが'1'なります。IN転送が終了するときに、bulkin_end_oが1クロックの間'1'になります。

 

 

コアがデータを要求している間は、bulkin_dreq_oがアサートされます。そうしたら、ユーザ回路はbulkin_data_i[31:0]にデータを与え、bulkin_dvalid_iをアサートします。

コアがWAITをかけてくる場合(すなわち、USBの転送が追い付かない。あるいはUSBのパケットの隙間)は、コアがbulkin_dreq_oをネゲートしてきますので、そうなったらデータを送らないようにしてください。

ユーザ回路側がWAITをかけたい場合は、bulkin_dvalid_iをアサートしなければよいので簡単です。

 

 

実機での動作タイミングを次の図に示します。

bulkin_start_oが1クロックアサートされて、PCからBulkIn要求が発生したことを知らせているのがわかります。ユーザ回路は、bulkin_dreq_oがアサートされているのを見たら、bulkin_dvalidと共にデータを送っています。

 

 

FX3が「データをこれ以上送らないでほしい」(つまりFX3内のバッファがFULL)と言っているときには、bulkin_dreq_oが下がるので、ユーザ回路はデータの送信を止めます。

 

 

オプション用ポートについて

data_len_oは、送受信する残りのデータの数をワード単位(データバスが32bitならば4バイト単位)で示します。

addr_oは、転送開始アドレスを32bitで示します。このアドレスはオプションで、メモリなどをつなぐ場合に活用できます。

flag_oは、16bitの任意の値です。送受信関数を呼び出したときに与えられる引数の値が出力されます。

※IN転送の場合でも、16bitの値をコアに送ることができます。

 

 

問題点あるいは未完成の事項と、これからの課題

  • 現在はデータバスが32bit専用なので16bit/8bitでも動作するようにしたい
  • BulkIn時のAbort機能は作ったが検証していない
  • BulkOut時に4の倍数ではない数のデータが来たときに、4の倍数に切り上げられてしまい、余りの部分に無意味なデータが格納されてしまう。これはホストPCからメモリの一部分を書き換えるような場合に問題となるだろう。
  • 非同期FIFOを入れて、任意の周波数のクロックドメインとインタフェースできるようにしたい
  • AXI4のインタフェースにして、MicroBlazeやZYNQのARMとインタフェースできるようにしたい

 

 

 

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