FPGA和USB3.0通信-FX3硬件设计简谈
本次演示用的是USB3.0芯片-CYPRESS CYUSB3014（下称 FX3），该芯片是标准的USB3.0 PHY，可以大大简化使用USB通信时FPGA的设计，主需要使用状态机进行FIFO的读写控制即可，同时该芯片还具有ARM核+I2S、I2C、SPI、UART等接口，大大增加了该芯片的使用范围。
芯片介绍
下面是整个芯片的框图：
主要包括以下几个部分：
1、通用可编程接口 (GPIF II)
可编程的 100-MHz GPIF II 接口能连接多种类型外部器件
8/16/32 位数据总线
多达 16 种可配置的控制信号
2、32 位 CPU
运行频率为 200 MHz 的 ARM926EJ 内核
512 KB 嵌入式 SRAM
3、外设
频率为 1 MHz 的 I2C 主控制器
采样频率为 32 kHz、44.1 kHz、48 kHz 的 I2S 主控（仅发射器）
支持高达 4 Mbps 的 UART
33 MHz 的 SPI 主控
UART 和 SPI 的工作电压为 1.8 至 3.3 V
I2C 工作电压为 1.2 V
4、多种时钟输入频率可供选择
19.2、26、38.4 和 52 MHz，支持 19.2 MHz 晶振输入
5、应用
FX3主要应用场景和他的内部结构有关，因为内置ARM核，应用范围十分广泛，在数字视频摄录机、数字照相机、打印机、扫描仪、视频采集卡、测试和测量设备、监控摄像机、个人导航设备、医疗成像设备、视频 IP 电话、便携式媒体播放器等多个场景都有应用。
正是因为内嵌ARM核，所以可以作为主处理器或者协处理器使用。
1、 作为协处理器-主要
这个主要是利用USB PHY的特点，通过GPIF接口向内部写入数据，通过USB接口输出。
2、作为主处理器
这种就是利用ARM内核功能+USB，功能类似STM32F103，但是USB功能升级了。
硬件设计
讲硬件设计主要是为了方便FPGA工程师排故使用，下面分几个方面进行介绍，排故思路也是按照下面的顺序走。
1、 时钟
我们知道FX3有19.2、26、38.4 和 52 MH，有晶体输入和有源晶振输入两种，这些组合怎么让内部PLL（锁相环）知道是那种时钟输入呢？那就是FSLC[0..2]这几个引脚进行配置，下表展示了FSLC[0..2]不同的设置代表的不同输入时钟，具体如下：
这里容易出问题的地方在于设置选项和时钟频率不匹配。
当然，FX3对于晶振/晶体是有要求的，但是比较宽松，常规的型号基本都可以满足。
复位：
通过激活 EZ-USB FX3 上的 Reset# 引脚来初始化硬复位。复位序列和时序的具体要求详见下图。
常规的使用就是RC复位即可，想控制FX3，把Reset# 引脚拉到FPGA即可（注意电平匹配）。
时序图就是大部分芯片推荐的时序图，无非就是电源、时钟先上，然后进行复位。
引导选向
这是最重要的一部分。
FX3 为了灵活使用，加载程序时可从多个源加载引导二进制文件（编译出来的），可通过 PMODE 引脚配置来选择。EZ-USB FX3 有下列引导选项：
从 USB 引导
从 I2C 引导
从 SPI （支持的 SPI 器件为 M25P16 (16 Mbit)、M25P80 (8 Mbit) 和 M25P40 (4 Mbit)）或同类器件引导
从 GPIF II 异步 ADMUX 模式引导
从 GPIF II 同步 ADMUX 模式引导
从 GPIF II 异步 SRAM 模式引导
注2：F代表的是悬空。
这里面常用的就是F11（USB引导）用来调试和下载固件；I2C引导：用来从EEPROM启动；SPI引导，用来从SPI FLASH启动。
注意一下，对于SPI FLASH支持的型号（支持的 SPI 器件为 M25P16 (16 Mbit)、M25P80 (8 Mbit) 和 M25P40 (4 Mbit)），当然也支持同类型的器件。对于SPI FLASH很多相同的封装，引脚兼容，所以很容易造成混乱。
这里说明一下，大部分PHY芯片从外部器件引导器件时，都会首先读取外部器件的FLASH的ID，然后才启动，如果不是他数据手册里推荐的型号，很大概率是启动不了的，如果出现问题首先记得先核实以下FLASH的型号。这么做的好处当然是…貌似没什么好处。
我这里建议的是使用SPI FLASH，价格会便宜点。模式我设计的思路是使用0F1（SPI，如失败，则启用 USB 引导），然后FALSH的CS引脚加开关接地，需要烧写固件时将CS拉低，FX3启动检测不到FLASH后会自动启动USB boot，上电完毕后可以将CS放开，就可以烧写固件了。
优秀的 Verilog/FPGA开源项目介绍（五）- USB通信
