基于FPGA的ADSP-TS101扩展USB接口设计
ADI公司的DSP器件(ADSP-TS101)具有浮点实时处理能力强、并行性好等优点，从而广泛被弹载信号处理系统选用。其作为弹载主处理器，在导弹的系统试验中，需要利用上位机对其中的大数据量的软件变量进行实时监控和记录，这就需要一个上行传输给上位机的高速通信接口，数据上行的数据率需要大于6 MB/s。同时这个通信接口还需具有双向特性，通过数据下行可实现在线程序加载与烧写。这样的通信接口，还需具备设备连接简单、通用性强等特性，并能实现远程(大于3m)数据传输。
ADSP-TS101自身的外总线接口和链路口(Linkport接口)，虽速度很快，但连接复杂，难以长线传输，并不具备上述需求特征。可以通过在DSP的Linkport总线接口上增加FPGA实现的适配电路，扩展USB 2.0接口，实现上述应用需求。下文将介绍具体的实现方案。
1 系统总体方案
系统实现的总体方案如图1所示。
在本方案中，USB接口芯片选用Cypress公司的CY7C68013A。该芯片是Cypress公司FX2系列USB 2.0集成微控制器之一。集成了USB 2.0收发器、SIE、增强8051微控制器和GPIF，是一种优秀的高速USB外设控制器。内置的8051微控制器独立于USB数据通道，由SIE实现大部分USB 1.1和USB 2.0协议;USB FIFO和外部从FIFO映射到相同的8个512 B RAM模块，实现内部传输和外部传输的无缝连接，可以较低的代价获得较高的带宽;8.5 KB内部RAM空间，可运行较为复杂的固件，实现软件对硬件的配置。GPIF是由用户可编程有限状态机驱动的柔性8/16位并行口，可编程GPIF向量组成一个GPIF波形，匹配受控接口的时序。
ADSP-TS101作为弹载主DSP芯片，含4个链路口，每个链路口可在时钟双沿以8位进行双向数据传输，速率高达250 MB/s。通过该接口，DSP每个处理帧将预观测的变量结果以DMA的方式打包向上位机发送。
FPGA实现ADSP-TS101的Linkport接口与CY7C68013A之间的双向数据缓冲和接口协议转换。考虑到CY7C68013A中的FIFO容量较DSP的一个处理帧预发送或接收的数据量较小，故在FPGA中设置上行和下行各一个大容量FIFO，用于数据缓冲，以减少对DSP中并行流水运行的程序的打扰。这里，由于DSP链路口的瞬时数据率远高于USB芯片的传输速率(理论上限为60 MB/s)，故FIFO的DSP端口的数据传输为：一个处理帧只操作一次，而USB芯片端则分成多次操作。
限于篇幅，下文将重点对传输数据率要求高、设计难度大的上行通道的设计进行详细描述。
2 FPGA的模拟Linkport口设计
FPGA需要模拟Linkport口的接口时序，其与DSP的硬件连接关系图如图2所示。
Link协议通过8位并行数据总线完成双向数据传输，与数据总线配合的还有相应的时钟信号线LxCLKIN，LxCLKOUT。
2.1 Linkport口的传输协议
Linkport口传输数据时，每8个周期传送一个4字组(16 B)，在时钟的上升沿和下降沿均传送一个字节。在传送过程中，发送端将检测接收端的LxCLKOUT信号，仅当接收端将它的LxCLKOUT置为高时，即接收端处于接收方式，且有空闲的缓冲时，发送端才可以启动下一个传送过程。
传送启动过程如图3所示，发送端驱动信号LxCLKOUT为低电平，以此向接收端发出令牌请求，发出令牌请求后，发送端等待6个周期，并验证LxCLKIN是否依旧为高，若是则启动传送过程。传送过程启动一个周期以后，接收端将发送端的LxCLKIN驱动为低，以此作为连接测试。若接收完当前4字组后接收端无法再接收另外的4字组，则接收端保持LxCLKIN为低。这种情况下，缓冲空闲后LxCLKIN信号被禁止。若缓冲为空，则接收端将置LxCLKIN为高电平。
作为同步信号，LxCLKOUT信号由发送端驱动。数据在LxCLKOUT的上升沿和下降沿处锁存到接收缓冲中，发送和接收缓冲都是128b宽。 LxCLKIN信号由接收端驱动，发往发送端，它通常用作“等待”指示信号，但LxCLKIN信号也可以用作连接测试信号，保证接收端能正确地接收当前传送数据。
当LxCLKIN信号用于等待指示信号时，接收端驱动LxCLKIN信号为低电平。若LxCLKIN信号保持低电平状态，则发送端可以[完成当前的4字组传送，但无法启动下一个垂字组传送。若还有其余的数据需要传送，发送端需将LxCLKOUT置低，并等待接收端将LxCLKIN驱动为高电平。如果在第12个时钟沿到来之前LxCLKIN变为高电平，则紧跟着传送的将是新的4字组。
2.2 FPGA内的Linkport口逻辑设计
由于Link协议采用双时钟沿传输数据，而同步FPGA系统中，一般只采用单一时钟的上升沿完成操作，因此需要将FPGA系统工作频率SCLK设定为Link时钟的2倍。然后将该时钟的两分频输出作为LxCLKOUT信号，有效数据则在SCLK的上升沿更新。
FPGA中的Linkport口接口模块电路与ADSP-TS101的Linkport口完全兼容，且采用了双向双倍数据传输DDR技术，能实现双向双倍的数据传输。FPGA中的Link口接口模块电路如图4所示。
