【FPGA黑金开发板】NIOSII那些事儿--USB设备（十九）

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      这一节，我们来讲讲黑金开发板USB部分的内容。黑金开发板上使用的USB芯片是南京沁恒公司的CH376，它支持USB 设备（DEVICE）方式和USB(HOST) 主机方式，并且内置了USB 通讯协议的基本固件，内置了处理Mass-Storage海量存储设备的专用通讯协议的固件，内置了SD 卡的通讯接口固件，内置了FAT16和FAT32 以及FAT12 文件系统的管理固件，支持常用的USB 存储设备（包括U 盘/USB 硬盘/USB 闪存盘/USB 读卡器）和SD 卡（包括标准容量SD 卡和高容量HC-SD 卡以及协议兼容的MMC 卡和TF 卡）。

      由于芯片内部集成了USB通讯协议的基本固件,因此，免去了我们自己编写USB通讯协议的麻烦了。不仅如此，它还集成了文件系统的管理固件,那么，我们不就可以直接读取U盘中的内容了？事实就是这样的，真的方便了很多哦。下面我们就来看看这款芯片到底有多好用吧。

硬件开发

      首先，我们看看这部分电路，如下图所示，我们采用的是8位总线模式，电路结构非常简单，与FPGA相连的一共有12根线，其中8根数据线，1根中断线，3根控制线。

      下面，我们就在软核中添加USB部分的模块，其实都是通过PIO模块控制的。添加后如下图所示，其中USB_DB为8位输出PIO；USB_WR，USB_RD，USB_A0都是1位输出PIO。

而USB_nINT为输入PIO，而且电平中断，如下图设置，

都设置好以后，自动分配地址，中断，接下来就可以编译了。

      编译好以后，回到Quartus界面，整理好以后，如下图所示，要记得USB_DB数据线是双向的，因此，一定要用分配bidir双向引脚，而不要用output。

      下面是中断引脚部分，由于我们是低电平中断，而NIOS电平中断只支持高电平中断，所以我们需要加一个非门，如下图示所示

      都设置好以后，我们就可以分配引脚了，TCL脚本有关USB部分的代码如下

01	#------------------------USB---------------------------------------#

02	set_location_assignment PIN_117 -to USB_DB[0]

03	set_location_assignment PIN_118 -to USB_DB[1]

04	set_location_assignment PIN_127 -to USB_DB[2]

05	set_location_assignment PIN_128 -to USB_DB[3]

06	set_location_assignment PIN_133 -to USB_DB[4]

07	set_location_assignment PIN_134 -to USB_DB[5]

08	set_location_assignment PIN_135 -to USB_DB[6]

09	set_location_assignment PIN_137 -to USB_DB[7]

10

11	set_location_assignment PIN_113 -to USB_A0

12	set_location_assignment PIN_115 -to USB_WR

13	set_location_assignment PIN_116 -to USB_nINT

14	set_location_assignment PIN_114 -to USB_RD

分配好引脚以后，大家就可以编译了。

软件开发

      USB分主机模式和设备模式，这两种模式硬件部分是相同的，只是在软件编程方面有些不同。这一节，我们来讲设备模式，也就是开发板通过USB接口与主机（电脑）相连，实现开发板与电脑的数据通信。

      我们首先打开NIOS II 9.0 IDE软件，还是老过程，首先编译一遍，Ctril+b。编译成功以后，我们在system.h中会看到USB部分的代码，如下表所示

01	#define USB_DB_NAME "/dev/USB_DB"

02	#define USB_DB_TYPE "altera_avalon_pio"

03	#define USB_DB_BASE 0x00001840

04

......

05	#define USB_NINT_NAME "/dev/USB_nINT"

06	#define USB_NINT_TYPE "altera_avalon_pio"

07	#define USB_NINT_BASE 0x00001850

08

......

09	#define USB_WR_NAME "/dev/USB_WR"

10	#define USB_WR_TYPE "altera_avalon_pio"

11	#define USB_WR_BASE 0x00001860

12

......

13	#define USB_RD_NAME "/dev/USB_RD"

14	#define USB_RD_TYPE "altera_avalon_pio"

15	#define USB_RD_BASE 0x00001870

16

......

17	#define USB_A0_NAME "/dev/USB_A0"

18	#define USB_A0_TYPE "altera_avalon_pio"

19	#define USB_A0_BASE 0x00001880

20

......

      下面，我们来添加USB部分的代码。

      首先，我们建立一个在inc下面建立一个usb.h文件，内容如下

01	#ifndef __usb_h__

02	#define __usb_h__

03	//-----------------Include files-------------------------//

04	#include "system.h"

05	//----------------- CH375 DEFINE-------------------------//

06	//下面部分是USB寄存器地址，这部分定义可以看CH376的芯片手册

07	#define USB_HOST    0X06

08	#define USB_DEVICE  0x02

09	#define USB_DISABLE 0X00

10

11	#define RESET_ALL   0X05

12	#define CHECK_EXIST 0X06

13	#define SET_USB_ID  0X12

14	#define SET_USB_MODE    0X15

15	#define GET_STATUS  0X22

16	#define UNLOCK_USB  0X23

17	#define RD_USB_DATA 0X28

18	#define WR_USB_DATA5    0X2A

19	#define WR_USB_DATA7    0X2B

20	#define GET_IC_VER  0X01

21	#define ENTER_SLEEP 0X03

22	#define CHK_SUSPEND 0X0B

23	#define RD_USB_DATA0    0X27

24

25	#define RET_SUCCESS 0X51

26	#define RET_ABORT   0X5B

27

28	#define INT_EP2_OUT 0x02

29	#define INT_EP2_IN  0x0a

30

31

//host

32	#define DISK_READ   0X54

33	#define DISK_RD_GO  0X55

34	#define DISK_READY  0X59

35	#define DISK_INIT   0X51

36

//status

37	#define USB_INT_CONNECT 0x15

38	#define USB_INT_DISCONNECT 0X16

39	#define USB_INT_SUCCESS 0X14

40	#define USB_INT_DISK_READ   0X1D

41	//-----------------bus define----------------------------//

42	/*下面是USB的接口部分定义，这次我没有像以往那样定义结构体，是为了让大家感受一下各种形式的编程。大家要注意PIO_USB_DB_DIR的定义，通过以前的讲解，不知道大家是否理解，它是USB数据线的方向控制寄存器的定义，知道为什么要+4么，大家自己考虑吧，不明白就看看附录中的有关PIO问题解析部分内容吧*/

43	#define PIO_USB_DB      *(volatile unsigned long int *)USB_DB_BASE

44	#define PIO_USB_WR      *(volatile unsigned long int *)USB_WR_BASE

45	#define PIO_USB_RD      *(volatile unsigned long int *)USB_RD_BASE

46	#define PIO_USB_A0      *(volatile unsigned long int *)USB_A0_BASE

47	#define PIO_USB_INT     *(volatile unsigned long int *)USB_INT_BASE

48	#define PIO_USB_DB_DIR  *(volatile unsigned long int *)(USB_DB_BASE+4)

49

50	#define VID 0X0FFE

51	#define PID 0X1000

52

53	typedef struct{

54	char receive_buffer[200];

55	int send_ok_flag;

56	int receive_ok_flag;

57

}USB_T;

58	//-----------------Extern function------------------------//

59

60	extern USB_T usb;

61	extern int initialize_usb(void);

62	extern int set_usb_mode(unsigned char);

63	extern int send_string_to_usb(char *str,int str_len);

64	extern void write_command_to_usb(unsigned char command);

65	extern void write_data_to_usb(unsigned char data);

66

67	#endif //__usb_h__

      接下来，我们看看CH376的时序图，如下图所示

     我们就根据上面的时序图编写驱动部分，在driver中建立一个usb.c文件，内容如下表所示

001

/*

002	* ==================================================================

003	*       Filename:  usb.c

004	*   Description:

005	*        Version:  1.0.0

006	*        Created:  2010.4.16

007	*       Revision:  none

008	*       Compiler:  Nios II 9.0 IDE

009	*         Author:  马瑞 (AVIC)

010	*          Email:  [e-mail]

011	* =================================================================

012

*/

013	//-----------------Include files-------------------------//

014	#include "../inc/usb.h"

015	#include "altera_avalon_pio_regs.h"

016	#include "sys/alt_irq.h"

017

#include

018

#include

019	//-----------------Function Prototype--------------------//

020	void write_command_to_usb(unsigned char command);

021	void write_data_to_usb(unsigned char data);

022	unsigned char read_data_from_usb(void);

023	void delay(void);

024	//-----------------Variable------------------------------//

025

026	USB_T usb;

027	//-----------------Function------------------------------//

028

029

/*

030	* ===  FUNCTION  ===================================================

031	*          Name:  irq_usb

032	* Description:   中断函数

033	* =================================================================

034

*/

035	void irq_usb(void)

036

{

037	unsigned int i;

038	unsigned char interrupt_status,data_len;

039	//  static int times=0;

040

041	write_command_to_usb(GET_STATUS);

042

043	interrupt_status=read_data_from_usb();

044

045	switch(interrupt_status){

046

//Device

047	case INT_EP2_OUT:

048

049	write_command_to_usb(RD_USB_DATA);

050	data_len=read_data_from_usb();

051

052

for(i=0;i

053	usb.receive_buffer[i]=read_data_from_usb();

054	usb.receive_buffer[i]='\0';

055

056	usb.receive_ok_flag=1;

057

058

break;

059

060	case INT_EP2_IN:

061	write_command_to_usb(UNLOCK_USB);

062	usb.send_ok_flag=1;

063

break;

064

065	default :break;

066

067

}

068

069	IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(USB_NINT_BASE,0x00);

070

}

071

072

/*

073	* ===  FUNCTION  ===================================================

074	*          Name:  send_string_to_usb

075	*  Description:  发送字符串

076	* =================================================================

077

*/

078	int send_string_to_usb(char *str,int str_len)

079

{

080

int i;

081

082	write_command_to_usb(WR_USB_DATA7);

083	write_data_to_usb(str_len);

084

085

for(i=0;i

086

087

return 0;

088

}

089

/*

090	* ===  FUNCTION  ===================================================

091	*          Name:  initialize_usb

092	*  Description:  初始化USB

093	* =================================================================

094

*/

095	int initialize_usb(void)

096

{

097	PIO_USB_RD=1;

098	PIO_USB_WR=1;

099	PIO_USB_A0=1;

100	usb.receive_ok_flag=0;

101

102	// enable the io interrupt

103	IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK(USB_NINT_BASE,1);

104	IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP(USB_NINT_BASE,0);

105

106	alt_irq_register(USB_NINT_IRQ,NULL,irq_usb);

107

108	set_usb_mode(USB_DEVICE);

109

110

return 0;

111

}

112

/*

113	* ===  FUNCTION  ===================================================

114	*           Name:  usb_usb_mode

115	*  Description:  设置USB模式

116	* =================================================================

117

*/

118	int set_usb_mode(unsigned char type)

119

{

120	write_command_to_usb(SET_USB_MODE);

121	write_data_to_usb(type);

122	read_data_from_usb();

123

124	if((read_data_from_usb())==0x51)return 0;

125	else return -1;

126

127

}

128

/*

129	* ===  FUNCTION  ===================================================

130	*          Name:   write_command_to_usb

131	*  Description:   写命令

132	* =================================================================

133

*/

134	void write_command_to_usb(unsigned char command)

135

{

136

//A0

137	PIO_USB_A0=1;

138

139	//DB DIR output

140	PIO_USB_DB_DIR=0xff;

141

142	PIO_USB_DB=command;

143

144	PIO_USB_WR=0;

145	PIO_USB_WR=1;

146

}

147

/*

148	* ===  FUNCTION  ===================================================

149	*          Name:  delay

150	*  Description:  延时

151	* =================================================================

152

*/

153	void delay(void)

154

{

155

int i;

156	for(i=0;i<1000;i++);

157

}

158

/*

159	* ===  FUNCTION  ===================================================

160	*           Name:  write_data_to_usb

161	*  Description:  写数据

162	* =================================================================

163

*/

164	void write_data_to_usb(unsigned char data)

165

{

166

//A0

167	PIO_USB_A0=0;

168

169	//DB DIR output

170	PIO_USB_DB_DIR=0xff;

171

172	PIO_USB_DB=data;

173

174	usleep(20);

175	PIO_USB_WR=0;

176

delay();

177	usleep(20);

178	PIO_USB_WR=1

179

}

180

/*

181	* ===  FUNCTION  ===================================================

182	*          Name:  read_data_from_usb

183	*  Description:  读数据

184	* =================================================================

185

*/

186

187	unsigned char read_data_from_usb(void)

188

{

189	unsigned char data=0;

190

191

//A0

192	PIO_USB_A0=0;

193

194	//DB DIR output

195	PIO_USB_DB_DIR=0;

196

197	PIO_USB_RD=0;

198

delay();

199	data=PIO_USB_DB;

200	PIO_USB_RD=1;

201

202	return data;

203

}

      编写好驱动以后，我们需要编写主函数测试代码

01

#include

02

#include

03	#include "../inc/usb.h"

04

05	int main()

06

{

07	unsigned char tmp[] = "Hello USB!\n";

08

09	initialize_usb();

10

11

while(1){

12	if(usb.receive_ok_flag){

13	printf("%s\n",usb.receive_buffer);

14	usb.receive_ok_flag = 0;

15

}

16

17	send_string_to_usb(tmp,sizeof(tmp));

18	usleep(100000);

19

}

20

return 0;

21

}

      程序都写完了，但工作还没有结束，如果要想调试，我们首先还需要在你的电脑上安装CH376的驱动。

     首先，去南京沁恒的网站下载驱动，下载地址是：，CH376的驱动跟CH372,CH375是一样的。

双击CH372DRV.EXE，开始安装驱动，如下图所示，点击INSTALL，直接安装就可以了。

上位机编程

      为了调试，我们还需要上位机的软件来配合，就像串口调试精灵的一个东西。这部分工作属于上位机部分的内容了。我在这里简单介绍一下吧。

南京沁恒网站提供了上位机需要的静态库函数和头文件，下载地址是：，我们可以利用他们构建自己的上位机。我使用的是NI公司的Labwindows/CVI 8.1，当然大家也可以使用VC等软件开发。

我感觉这个软件还是蛮好用的，大家可以研究一下。写好的上位机面板如下图所示，

      我们可以利用它进行简单的发送和接收，软件还不够完善。下面简单介绍一下使用方法，首先需要将FPGA运行起来，然后点击上位机的打开按钮。如果是接收的话，点击Reveive，每点一次接收一次。如果发送的话，将你发送的数据写到上面的输入框中，点击Send，每点一次发送一次。如下图示

      好了，到这里，有关USB的设备模式的内容就讲完了。下一节，我们将讲解有关USB主模式的内容，也就是如何读取U盘等相关内容。谢谢大家！