USB3.0测试和使用说明

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概述

AC6102上集成了一颗Cypress 推出的高性能USB3.0传输芯片CYUSB3014，Cypress称之为EZ-USBFX3。该芯片性能强劲，功能强大，接口简单，非常适合用于各种需要高速数据传输的场合，以下为摘自EZ-USBFX3数据手册中关于该芯片的介绍：

赛普拉斯EZ-USBFX3是新一代USB3.0外设控制器，具有高度集成的灵活特性，可帮助开发人员为任何系统添加USB3.0功能。EZ-USBFX3具有一个可进行完全配置的并行通用可编程接口GPIFII，它可与任何处理器、ASIC或FPGA连接。这个通用可编程接口GPIFII是赛普拉斯旗舰USB2.0产品FX2LP中的GPIF的增强版本。它可轻松无缝地连接至多种常用接口，比如异步SRAM、异步和同步地址数据复用式接口、并行ATA等等。

EZ-USBFX3集成了USB3.0和USB2.0物理层(PHY)以及32位ARM926EJ-S微处理器，具有强大的数据处理能力，并可用于构建定制应用。该产品采用了一种巧妙的架构，使从GPIFII到USB接口的数据传输速度可达320MBps[1]。通过集成的USB2.0OTG控制器，可以实现需要双角色使用场合的应用。例如，EZ-USBFX3可以作为MSC和HID级设备的OTG主机使用。EZ-USBFX3配有用于存储代码和数据的512KB片上SRAM。EZ-USBFX3还具有可连接至UART、SPI、I2C和I2S等串行外设的接口。

EZ-USBFX3附带易用的EZ-USB工具，为快速应用开发提供完整的解决方案。软件开发工具包中附带应用示例，可缩短上市时间。

EZ-USBFX3完全符合USB3.0规范1.0版，并可向下兼容USB2.0。本设备还符合电池充电规范v1.1和USB2.0OTG规范2.0版。

从该介绍中，摘选出我们所关心的以下信息：

1、 USB3.0外设控制器，兼容USB2.0协议

2、对外是一个GPIFII接口，可以灵活的与FPGA连接

3、片上集成ARM926EJ-S微处理器（ARM9处理器）

4、用户接口（GPIFII）到USB接口的数据传输速度可达320MBps

5、支持USB2.0 OTG功能，可以作为海量存储器控制器（MSC，如U盘）或人机接口设备（HID，如鼠标、键盘）的主机

6、片上512K字节SRAM用于存储程序和数据

7、 UART、SPI、I2C、I2S串行外事接口。

8、提供方便易用的EZ-USB开发

通过以上介绍可知，EZ-USBFX3的功能还是非常强大的。因此，如何高效快速的学会使用该芯片也就显得非常有意义了。

本文作为AC6102开发板的第一期配套资料，仅对AC6102上的USB3.0电路功能和性能测试进行简单的介绍。关于更加详细的开发教程，将在第二期或第三期资料推出。

本实验需要用到以下器件：

1、芯航线AC6102型FPGA开发板一块

2、带USB3.0接口的PC机一台

3、 Micro USB3.0数据线一根

4、 5V/2A电源适配器一个

5、 USB Blaster下载器一个

安装SDK

开发EZ-USBFX3，需要用到Cypress提供的开发工具，该软件已经经历了多次更新，目前最新版本的叫做FX3_SDK_Windows_v1.3.3.exe。该软件以及EZ-USBFX3的其他所有相关文档都可以从以下地址下载得到。下载需要注册，注册非常简单，仅需要邮箱就能成功注册，这里就不给大家介绍注册方法了。

CYUSB3014开发套件官方资料下载地址：

http://www.cypress.com/documentation/software-and-drivers/ez-usb-fx3-software-development-kit

下载好之后，即可安装该软件，该软件实际是一个集成包，里面包含了开发EZ-USBFX3的软硬件所需的全部内容，包括开发软件、DEMO、文档等。安装过程也非常简单，以下对其中需要注意的地方进行简单说明。

1、双击FX3_SDK_Windows_v1.3.3.exe以开设运行软件

2、安装路径选择，建议选择默认，这可以帮我们在开发初期避免路径不通带来的差异，可以省不少事。点击Next。

3、下一个界面要求选择安装的模式，典型的，还是用户自定义安装，第一次接触，建议按照典型方式安装。

4、接下来，就是各种接受协议，各种下一步。接受了所有的协议后，点击next就可以开始正式安装，以下为安装过程

安装最后的一个界面是反馈信息，默认finish是灰色的无法选中，我们选择Continue Without Contact Information即可,然后点击Finish。

至此，EZ-USBFX3开发套件就安装完成了

安装完成后，在系统的开始菜单下，会出现一个叫做Cypress的文件夹，里面包含以下内容：

Cypress Update Manager:Cypress的更新管理器，如果开发套件有更新版本，使用该管理器可以检查并更新到最新版本。

EZ-USB FX3 SDK：EZ-USB的开发套件相关组件。

连接USB3.0到PC

以上，我们完成了EZ-USB FX3的开发套件的安装，只有安装了该套件，才能在后续将AC6102的USB3.0接口连接到PC机时，成功的安装驱动。

1、使用配套的5V电源给开发板供电，打开电源开关，插上USB Blaster下载器。

2、使用配套的USB3.0数据线连接PC和AC6102的USB3.0接口。如下图所示：

插上USB线并打开开发板电源以后，PC会自动识别到设备，设备名称为“WestBridge”，如下图所示，由于此时设备没有安装驱动，因此还是带黄色“！”，表明设备不可用。

安装EZ-USB芯片驱动

当开发板和PC机连接完成后，我们就可以为设备安装驱动了。选中设备，单击鼠标右键，选中更新驱动程序，选则浏览计算机以查找驱动程序软件。

定位驱动路径到以下文件夹（以实际的 SDK 安装路径为准）。C:\Program Files (x86)\Cypress\EZ-USB FX3 SDK\1.3\driver,并勾选上“包括子文件夹”选项。然后点击下一步。

如果弹出以下界面则表明驱动安装成功。

此时，回到设备管理器中，可以发现如下设备：

到此我们就完成了所有软硬件的连接，接下来，就可以对设备进行测试了。

关于EZ-USB的启动方式

在进行测试之前，需要补充介绍下EZ-USBFX3的启动方式，EZ-USBFX3芯片总共支持7种引导方式，所谓引导，就是EZ-USBFX3芯片上电以后，片上的ARM9处理器从何处开始读取程序并运行。其支持的7种启动方式如下所示：

² 从 USB 引导

² 从 I2C 引导

² 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

² 从 GPIF II 异步 ADMUX 模式引导

² 从 GPIF II 同步 ADMUX 模式引导

² 从 GPIF II 异步 SRAM 模式引导

那么究竟EZ-USBFX3芯片上电后从哪里开始启动呢？芯片提供了3个启动配置引脚，通过设置启动引脚不同的值，来选择不同的启动方式。这三个引脚名叫PMODE脚。

这三个配置引脚，每个引脚都有三种状态，1（接高电平）、0（接低电平）、F（浮空，既不接高电平，也不接低电平），三个配置引脚的不同状态与对应的启动方式如下表所示：

其中，对于FPGA和USB3.0组成的系统，我们很少用到第1、2、4种启动方式。第7种启动方式，即使用SPI引导，主要用在EZ-USBFX3作为整个系统的主机层，片上的处理器需要运行复杂的程序的情况下，使用片外的大容量SPI FLASH存储器启动。FPGA + EZ-USBFX3，使用最多的是SlaveFifo接口，因此，可以选择EEPROM存储器，即I2C方式启动。同时，为了保证系统在IIC接口的EEPROM存储器失效的情况下，能够有其他方式可以恢复，所以，AC6102上的启动方式设置为了方式5，即默认从I2C引导，如果从I2C引导失败，则启用从USB引导。对应的PMODE[2:0]的配置为F1F，在原理图上，即电阻R51使用0R电阻，其他电阻全部不焊接即可。

EZ-USB测试方案分析

由于AC6102上的USB3.0电路更像是一个桥，一端，使用USB总线连接到PC机的USB端口上，另一端，使用GPIFII连接到FPGA芯片上。所以，为了测试整个链路是否通畅，可以分成两步测试，第一步，测试EZ-USBFX3和PC间的USB3.0总线是否稳定，第二步，再测试FPGA通过EZ-USBFX3到PC的链路是否稳定。

为了测试EZ-USBFX3和PC间的USB总线是否可靠，可以采用内部回环传输的方式进行测试，所谓内部回环传输，就是PC发数据给EZ-USBFX3，EZ-USBFX3将接收到的数据再发回给PC，以实现通信USB总线的测试。

为了使EZ-USB能够工作在回环模式，需要有相应的固件支持。对于EZ-USBFX3，由于我们将其引导方式设置为I2C -> USB，即默认会从EEPROM上启动。但是我们的EEPROM中目前没有烧写任何固件，因此一定会引导失败，引导失败后，则会选择从USB引导。所以，我们可以在系统上电后，通过PC直接将固件下载到EZ-USB的RAM中并运行。

块传输模式测试

下载EZ-USB固件

在开始菜单中找到Control Center，如下图X1所示，打开后软件会自动扫描到我们的USB设备，如下图X2所示。

这里，我们选中设备（Cypress FX3 USB BootLoader Device），然后点击菜单栏中的Program，依次选择FX3 -> RAM。

在打开的文件选择窗口中，我们定位到我们提供的DEMO目录下的..\AC6102\demo_release\ez_usb\01_USBBulkLoopAutoEnum文件夹，选择USBBulkLoopAutoEnum.img文件，点击打开，如下图X1所示，则软件会自动读取该文件并通过USB总线下载到EZ-USBFX3芯片的RAM中，此时，我们再看USB Control Center，发现此时的设备名称已变成了Cpress USB BulkloopExample，左下角显示Programming Succeeded。如下图X2所示。（关于USBBulkLoopAutoEnum.img文件的生成，将在第二期资料中提供详细的开发教程）。

图X1

图X2

基本回环测试

USB Control Center软件提供了一个基本的回环测试功能，这里，我们依次点开Cpress USB BulkloopExample前面的+号，找到Bulk outendpoint (0x01)，选中该项，在右侧 “Data Transfers” 的“Data to send (Hex)”中输入需要从 PC 发送到 FX3 的数据。然后点击 Transfer Data-OUT 即可实现数据发送。如下图X所示。

发送完成后，在下方信息窗口，可以看到提示信息，表明发送已经完成。

那么此时，这些发送出去的数据在哪里呢？本例烧写的固件是基于内部DMA的回环测试，所谓内部DMA回环，就是EZ-USBFX3会自动将out端点发送的数据搬运到in端点，所以，我们刚刚发出去的这13个数据，已经被EZ-USBFX3芯片搬运到了in端点了。这样，当电脑读取in端点，就能读取到刚刚发出去的这13个数据。

在左侧选中Bulk in endpoint(0x81)端点，然后右侧窗口中，点击Transfer Data-IN按钮，即可将0x81端点中的数据读出来，如下图所示。

可以看到，读取回来的数据与我们发出去的数据完全一致。因此可知USB总线能够正常的收发数据。

使用Bulk Loop工具测试

上述测试需要我们手工输入待测试数据并手动点击发送和读取按钮，因此效率十分低下，无法测试USB3.0在搞强度传输时候的稳定性。接下来，我们就使用EZ-USBFX3的开发套件中提供的一个专用的回环测试软件来进行测试。

在开始菜单中找到Bulk Loop软件，如图X1所示，点击打开，打开后界面如图X2所示：

打开之后，直接默认设置即可，点击Start即可开始测试。发送和接受数据统计窗口会显示实时发送和接收的数据总数，通过比对发送和接收的数据是否一致，即可了解EZ-USBFX3和PC间的USB总线性能是否可靠。

至此，我们就完成了USB总线可靠性的测试。之所以要进行此测试，是因为USB3.0串行总线数据线的传输速度高达Gbps，AC6102这几根串行数据线在布线时需要完成阻抗匹配和差分布线，只有阻抗匹配和差分布线都满足USB3.0协议的要求，才能够稳定长期的传输数据不出错。

小梅哥

2016年12月8日于成都市电子科技大学

流模式数据吞吐量测试

上一节，我们介绍了使用EZ-USBFX3的片上回环方式测试USB总线的可靠性。该种方式虽然能够测的USB总线的传输是否可靠，但是却无法体现USB3.0的高传输速率。本节，我们将通过另一种方式——流传输方式，来测试我们的USB3.0总线的传输速率。

下载EZ-USB固件

在开始菜单中找到Control Center，如下图X1所示，打开后软件会自动扫描到我们的USB设备，如下图X2所示。

这里，我们选中设备（Cypress FX3 USB BootLoader Device），然后点击菜单栏中的Program，依次选择FX3 -> RAM。

在打开的文件选择窗口中，我们定位到我们提供的DEMO目录下的AC6102\demo_release\ez_usb\ 02_USBBulkSourceSink，选择USBBulkSourceSink.img文件，点击打开，如下图X1所示，则软件会自动读取该文件并通过USB总线下载到EZ-USBFX3芯片的RAM中，此时，我们再看USB Control Center，发现此时的设备名称已变成了Cypress USB StreamerExample，左下角显示Programming Succeeded。如下图X2所示。（关于USBBulkSourceSink.img文件的生成，将在第二期资料中提供详细的开发教程）。

图X1

图X2

基本Streamer测试

接下来，我们就使用EZ-USBFX3的开发套件中提供的一个专用的steamer测试软件来进行测试。

在开始菜单中找到Bulk Loop软件，如图X1所示，点击打开，打开后界面如图X2所示：

选择Endpoint为0x01，Packets per Xfer为8、Xfers to Queue为64，然后点击Start开始测试，界面上的能量条会实时显示当前传输速度，也会同时显示成功（Successes）和失败（Failures）的数据包个数。可以看到，传输速度为395800KB/S左右，即386MB/S。速度可谓相当的高。

点击stop停止传输，切换Packets per Xfer为256、Xfers to Queue为64，然后再次点击Start，测试速度如下所示。可以看到，传输速度稳定在389000KB/S左右，也就是380MB/S，这个速度已经相当的高了。