如何将 FPGA 变成 USB 数据采集板

笔者在不修改硬件的情况下在 icestick 板子上实现了从 FPGA 到 USB Host 最高 2.57MBps 的数据传输。

背景信息

icestick 板载 USB 接口芯片 FT2232H 的端口 A 和端口 B 均与 FPGA ice40hx1k 相连。其中，端口 A 处于 MPSSE 模式，用于读写 SPI Flash 以更新 FPGA 的 bitfile，而 B 口默认处于 ASYNC Serial 模式，当作串口使用。

端口 B 都只有一部分引脚连到 FPGA，无法支持 245 FIFO 或者 245 FIFO SYNC 模式以实现高速数据传输。而在 ASYNC Serial 模式时，其支持最大 12Mbaud 即最高 1.14MBps 的数据传输。

笔者发现 FT2232H 还支持一种称为 Fast Opto-Isolated Serial Interface 的模式。在 FTDI 文档和软件中，这一模式也被称为 Fast Serial Interface 模式或者 OPTO Isolate 模式。因为引入了时钟引脚，这一模式可以在使用较少引脚的情况实现比 ASYNC Serial 模式更高带宽的数据传输。

读者可以通过此文了解 OPTO Isolate 模式如何使用并按照说明可以实现最高 2.57MBps 的数据传输。

准备工作

你需要具备以下条件：

• 一块 icestick 开发板
• ice40 FPGA 开发工具，开源工具或者 iceCube2
• FT Prog 程序及 D2XX 驱动
• FT2232H Datasheet

同时，笔者使用以下软件实现 Windows 端测试程序：

• zadig 软件
• libusb 库及开发环境

准备妥当后，我们先尝试修改 FT2232H 芯片端口 B 的模式。

修改模式

首先，我们需要使用 FTDI 公司的 FT Prog 程序来修改端口 B 的模式。而 FT Prog 程序则需要驱动程序 D2XX 驱动。

打开设备管理器，插入 icestick 后，如果 D2XX 设备驱动程序配置正常，在通用总线控制器下会出现 USB Serial Converter A 和 USB Serial Converter B 设备，如下图所示。

打开 FT Prog 程序，主菜单上点击 DEVICES 然后点击 Scan and Parse 子菜单。如果一切正常，读者应该可以看到以下界面：

选中设备，找到 Hardware Specific 下 Port B 的 Hardware 项，选择 OPTO Isolate 项，然后在主菜单上点击 DEVICES 然后点击 Program 子菜单。

点击 Program 按钮就可以将修改后的配置选项写入 FT2232H 的 EEROM 中。

烧写完毕后可以重新拔插 icestick，打开 FT Prog 再次查看设备的 Port B 的属性是否已经修改成 OPTO Isolate。

修改成功后，我们看一下 OPTO Isolate 模式下接口的规格。

OPTO Isolate 模式

在 FT2232H Datasheet 章节 3.1.4.6 FT2232H Pins used as a Fast Serial Interface 的 Table 3.10 中我们可以找到：

由于本文侧重于 FPGA 到 FT2232H 的数据传输，我们可以暂时忽略用于 FT2232H 到 FPGA 方向数据传输的 FSDO 引脚。

在章节 4.8.2 Incoming Fast Serial Data 中 Figure 4.15 Fast Opto-Isolated Serial Interface Input Data 我们可以看到：

有此时序图我们可以看出：

• 空闲状态下 FSCTS 和 FSDI 应为高电平
• FSCLK 作为数据传输的参考时钟，FT2232H 应在 FSCLK 的上升沿采数据
• FSCTS 为高电平时，FPGA 可以进行数据传输
• 一次传输的数据由一个由 0 表示的起始位、LSB 优先的 8 位数据和一个 DEST 位组成
• 在 DEST 位发送后，FSCTS 仍然会保持一段时间的低电平

然后我们在章节 4.8  Fast Opto-Isolated Serial Interface Mode Description 的 Figure 4.13 Fast Opto-Isolated Serial Interface Signal Waveforms 看到具体时序：

以及在同一章节的 Table 4.6 Fast Opto-Isolated Serial Interface Signal Timings 看到具体时序：

根据这些，我们可以得到：

• FSCLK 的最小周期是 20ns，即最大频率是 50MHz
• FSDI 的建立时间最小为 10ns，保持时间最小为 5 ns

这样我们可以根据这些参数进行 FPGA 接口设计了。

接口电路设计

在实现接口电路之前，读者需要检查具体用到的 FPGA 的性能。如果 IO 反转性能不能达到 50MHz，那么 IO 就成为瓶颈；如果 IO 性能满足要求，但是接口电路频率不能超过 100MHz 或者在支持支持双沿输出和输入的情况下超过 50MHz，接口电路就会成为瓶颈。

通过查看 ice40hx1k 的文档，我们可以大致确定 ice40hx1k 的普通 IO 反转可以做到 50MHz，而且，在此 FPGA 上实现一个运行在近 100MHz 的电路并不十分困难。

如果我们使用 100MHz 作为内部时钟，那么数据传输时序图会变成：

需要说明的是

• 我们使用 100MHz 使用来产生一个 50MHz 的 FSCLK 对应 IO 的反转
• 我们在 FSCLK 的下降沿变更数据，这样保证 FSDI 的建立时间和保持时间都是 10ns
• 我们会产生一个持续反转的 FSCLK，而不会在不传输数据的时候暂停 FSCLK

通过观察时序图，计数状态机来实现此电路较为简单。同时对于慢速接口电路，valid-ready 信号也是不能缺少的。加入这些信息后，数据传输时序图会变成：

有了这样的时序图，我们可以开始实现具体的电路了。

接口电路实现

首先，输入信号 FSCTS 需要经过跨时钟域处理。我们可以将 i_fscts 连接到 2 个级联的 DFF 上来进行处理，从而得到同步的信号 w_fscts。

//
    // CDC signals
    //
    localparam  DFF_W = 2;

    wire                    w_fscts;
    reg     [DFF_W - 1 : 0] r_fscts_sync;

    always @ (posedge i_clk)
        r_fscts_sync <= {r_fscts_sync[DFF_W - 2 : 0], i_fscts};

    assign w_fscts = r_fscts_sync[DFF_W - 1];

其次，Fast Opto-Isolated Serial Interface 电路本质是将并行的数据进行串行数据，我们还需要一个移位寄存器和对应的控制信号：

//
    // r_data
    //
    // r_data keeps the data to be transmitted
    //
    localparam  TX_DATA_W = DATA_W + 3;

    reg     [TX_DATA_W - 1 : 0] r_data;
    reg     [TX_DATA_W - 1 : 0] w_data_next;

    wire                        w_data_tick;
    wire                        w_data_load;
    wire                        w_status_tick;

    always @ (posedge i_clk, posedge i_arst)
        if (i_arst)
            r_data <= {TX_DATA_W{1'b1}};
        else
            r_data <= w_data_next;

    always @(*) begin
        w_data_next = r_data;

        if (w_data_load)
            w_data_next = {i_channel, i_data, 2'b01};
        else
            if (w_data_tick)
                w_data_next = {1'b1, r_data[TX_DATA_W - 1 : 1]};
    end

    // w_data_load indicates if r_data could be filled safely
    assign w_data_load = o_ready & i_valid;
    assign w_data_tick = w_status_tick | w_status_start;

因为数据的发送需要两个必备条件，我们需要一个 bit 来确保默认情况 FSDI 的数据为高电平。这样，加上起始位和 DEST 位后，我们共需要 11 位移位寄存器。

同时，数据发送时 LSB 优先的，我们的 FSDI 自然而然的会连接到移位寄存器的最低位。

复位时，移位寄存器全部填充为 1；复位解除后，如果需要加载数据时，即 w_data_load 为有效时，那么将表示 DEST 位的 i_channel、8 位数据 i_data 、表示起始位的 0 和默认电平 1 加载到寄存器中；如果遇到 w_data_tick 有效时，那么就将移位寄存器进行右移，最高位填充 1。

然后，因为数据发送的两个条件并不是同时发生，我们需要一个寄存器来表示 r_data 是否已经填充。

//
    // r_data_status
    //
    // r_data_status decides the valid-ready signals and
    // if r_status FSM starts
    //
    reg     r_data_filled;
    reg     r_data_filled_next;

    wire    w_data_done;
    wire    w_status_done;

    always @ (posedge i_clk, posedge i_arst)
        if (i_arst)
            r_data_filled <= 1'b0;
        else
            r_data_filled <= r_data_filled_next;

    always @(*) begin
        r_data_filled_next = r_data_filled;

        // if the tx data has been filled
        if (r_data_filled) begin
            // and the data transmission has been done
            if (w_data_done)
                r_data_filled_next = 1'b0;
        end
        // or if the tx data is empty
        else begin
            // and upstream module's data is ready
            if (i_valid)
                r_data_filled_next = 1'b1;
        end
    end

    assign w_data_done = w_status_done & i_tick;

默认的情况下，r_data_filled 为 0 表示 r_data 是没有填充的；如果没有填充过且输入数据有效，那么就将 r_data_filled 设置为 1，表示已经填充；如果已经填充，且表示数据已经完全被发送出去，即 w_data_done 为 1 时将 r_data_filled 设置为 0。

接着，我们需要实现一个计数状态机来控制 r_data 的移位和 r_data_filled 的更新。

计数状态机的实现并不复杂。默认情况下，计数器为 0 表示接口处于空闲状态；在处于空闲状态下，如果 r_data 已经被填充，FSCTS 信号为高，在保证与时钟同步的情况下，计数器变成 1，然后每个 w_status_tick 有效时加一，知道计到最大状态 10 之后又变为 0，等待 w_status_start 再次变为 1。

最后，有了上述电路，那么输出信号处理就较为简单。

//
    // output signals
    //
    // r_data is ready when r_data_filled is 0
    assign o_ready = ~r_data_filled;

    assign o_fsdi = r_data[0];

对于 o_ready 信号，只要数据发送完毕就可以进行填充；而 FSDI 信号直接取 r_data 的最低位。

为了测试这一接口模块，我们还需要设计另外一个控制模块来产生数据并驱动此接口模块。笔者实现了一个控制模块，支持周期发送和最大带宽发送两种模式选择。限于篇幅，此处不再赘述其实现细节。

控制模块的代码、接口模块的代码、cocotb 仿真代码及 icestick 完整的工程可以在 icestick-oifs 库中 gateware 目录 oifs-tx 子目录下找到。

需要注意的是，由于 icestick 板载晶振频率 12MHz，使用 PLL 倍频出最大符合规范的时钟频率为 99MHz，所以，实际的 FSCLK 的反转频率是 49.5MHz，而非设计时的 50MHz。

FPGA 部分实现完毕后，我们还需要实现 USB Host 侧的软件来接收数据。

USB Host 侧软件

为了实现跨平台的代码，笔者使用 libusb 库进行 USB Host 侧的代码。

在 Windows 上，读者需要使用 zadig 软件将端口 B 的 D2XX 驱动替换成 libusb 的驱动。如下图所示：

同时，笔者在 msys2 环境下安装 mingw-w64-x86_64-libftdi 和必要的开发工具，用来构建 USB Host 侧的程序。

笔者编写了两个程序，一个程序用来读取数据并计算性能，名为 oifs-rxperf，另外一个程序用来将数据打印到控制台，名为 oifs-rxdump。

USB Host 侧代码可以在 icestick-oifs 库中 software 目录下找到。这些代码可以不用修改或者稍加修改运行在 Linux 平台上。

测试结果

笔者在 Windows 上测试的结果如下：

我们可以看到最高的传输速率可以达到 2.57MBps。笔者在 Ubuntu 20.04 和  Ubuntu 22.04 中分别进行了测试，测试结果与 Windows 平台上得到的结果一致。

在接口逻辑仿真环境中，我们假设了 FSCTS 信号总高，但是实际情况并非如此：

通过逻辑分析仪抓到信号的波形来看，FSCTS 在 DEST 位传输完毕后保持 140ns 的低电平，那么一次传输需要大概 364ns 到 384ns，则极限带宽则约为 2.61MBps。

总结

按照本文的说明及相应的代码，读者应该可以在 icestick 上实现从 FPGA 到 USB Host最高 2.57MBps 的数据传输，从而将 icestick 变成一个 USB 数据采集板。

工程代码

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