引 言

USB（Universal Serial Bus）是一種通用串行總線，主要用于PC與外圍USB設(shè)備的互聯(lián)。近年來，USB接口以其快速、即插即用、使用安裝方便等優(yōu)點(diǎn)逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。目前，國內(nèi)外采用USBl．1和USB2．O兩種規(guī)范。USBl．1主要用于低速傳輸要求的場合，支持1．5Mb／s和12Mb／s兩種傳輸速率；而USB2．O規(guī)范則提供高達(dá)480Mb／s的傳輸速率。盡管如此，在某些對數(shù)據(jù)傳輸速度要求很高的系統(tǒng)中，外圍設(shè)備與USB接口之間在速度上仍存在著不可忽視的傳輸瓶頸。

Cypress公司生產(chǎn)的USB2．0控制器CY7C68013提供了一種獨(dú)特的接口方式，即通用可編程接口（GPIF）方式。它與傳統(tǒng)接口方式的主要區(qū)別有兩點(diǎn)：①在數(shù)據(jù)傳輸過程中不需要CPU干涉，使得傳輸速率明顯提高，從而可以充分利用USB2．0的傳輸帶寬；②由軟件設(shè)置讀／寫控制，其控制方式類似于狀態(tài)機(jī)，提高了傳輸穩(wěn)定性。因此，本文介紹的基于USB2．0控制器CY7C68013的GPIF接口設(shè)計，就是充分利用了該芯片這一獨(dú)特的數(shù)據(jù)傳輸接口方式，有效地解決了在傳統(tǒng)接口方式下USB2．0設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸速度的局限性，大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。

1、 CY7C68013簡介

CY7C68013是Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片。EZ-USB FX2是一款集成USB2．0收發(fā)器的微控制器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖l所示。該系列芯片集成了USB2．O收發(fā)器、串行接口引擎（SIE）、帶8．5KB片上RAM的增強(qiáng)型高速8051單片機(jī)、4KB FIFO存儲器以及通用可編程接口等模塊．提供了全面集成的USB解決方案，無需外加芯片即可實(shí)現(xiàn)高速USB傳輸。FX2系列芯片最主要的特點(diǎn)是可以通過USB2．0的通用可編程接口為特定的應(yīng)用接口編程。另外，CY7C68013的GPIF引擎具有自動傳輸數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的特性，這種特性使得以主／從端點(diǎn)FIFO（B/16位數(shù)據(jù)總線）為ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA、DSP等的外圍設(shè)備，可以與主機(jī)通過CY7C68013無縫、高速地傳輸數(shù)據(jù)。另外，CY7C68013內(nèi)部集成的USB2．O的SIF能完成大部分USB2．O協(xié)議的處理工作，從而減少了用戶對繁雜的USB協(xié)議的處理。

2 、硬件設(shè)計及原理

在GPIF接口方式設(shè)計中，GPIF作為CY7C68013的端點(diǎn)FIFO的內(nèi)部控制器，在這種方式下，CPU不會干涉數(shù)據(jù)的傳輸。CY7C68013的GPIF接口方式如圖2所示。

CY7C68013專門為GPIF提供了接口信號（包括16位數(shù)據(jù)線、輸出控制信號CTL、輸入控制信號RDY以及地址線ADR），這些信號負(fù)責(zé)完成USB接口芯片與外圍設(shè)備或器件（如FPGA、DSP等）的數(shù)據(jù)讀／寫控制和傳輸。以下為GPIF方式下的主要端口功能。

FDO～FDl5（輸入／輸出）：USB主機(jī)通過CY7C68013與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)線，可以用8位或16位數(shù)據(jù)線。

CTLO～CTL5（輸出）：CY7C68013對外部設(shè)備進(jìn)行控制的信號線。

RDY0～RDY5（輸入）：CY7C68013對外部設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行檢測的信號線。

SDA（雙向）、SCL（輸出）：E2PROM的數(shù)據(jù)及時鐘信號線。

ADR0～ADR8（輸出）；GPIF為外部設(shè)備提供的地址線。

在本設(shè)計中，除了重點(diǎn)利用通用可編程接口來實(shí)現(xiàn)無縫、高速的傳輸數(shù)據(jù)外，還采用了EZ-USBFX2提供的一種獨(dú)特架構(gòu)，即“量子FIFO（Quantum FIFO）”處理架構(gòu)。它能較好地解決帶寬問題，圖3為其數(shù)據(jù)傳輸示意圖。當(dāng)USB執(zhí)行OUT時，EP2端點(diǎn)被設(shè)置為512字節(jié)四重FIFO（在USB端和外部接口端，都不知道有四重FIFO），圖4為其數(shù)據(jù)傳輸原理圖。在USB端看來，只要有1個FIFO為“半滿”，那么就可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

當(dāng)前操作的FIFO寫“滿”時，F(xiàn)X2自動將其轉(zhuǎn)換到外部接口端，排除等候讀取；并將USB接口隊(duì)列中下一個為“空”的FIFO轉(zhuǎn)移到USB接口上，供其繼續(xù)寫數(shù)據(jù)。同時，在外部接口端看來，只要有1個FIFO為“半滿”，就可以繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)前操作的FIFO讀“空”時，F(xiàn)X2自動將其轉(zhuǎn)換到USB接口端，排除等候?qū)懭?；并將外部接口?duì)列中下一個為“滿”的FIFO轉(zhuǎn)移到外部接口上，供其繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。

3 、軟件設(shè)計及實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計的軟件設(shè)計包括：固件程序、驅(qū)動程序和應(yīng)用程序設(shè)計。其中，固件程序是整個程序設(shè)計的核心，它在設(shè)備CPU中運(yùn)行。GPIF就是在固件中實(shí)現(xiàn)的，因此，只有在該程序運(yùn)行時，外設(shè)才能稱之為具有給定功能的外部設(shè)備。

3．1 固件設(shè)計

在GPIF高速數(shù)據(jù)傳輸中，GPIF波形的描述符決定了整個數(shù)據(jù)傳輸過程的時序。GPIF波形描述符通常用Cypress公司的GPIF工具（GPIFTOOL）進(jìn)行配置。它是一個可運(yùn)行于Windows平臺的應(yīng)用程序，與FX2的開發(fā)包一起發(fā)布的。在GPIF方式下，所有的讀／寫及控制邏輯通過CY7C68013的GPIF以軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)，且控制邏輯的變換方便靈活（只需要改變接口的一個配置寄存器的值）。

FX2由4個GPIF波形描述符控制各個狀態(tài)，它們分別是GPIF Waveform O（FIFORd）、GPIF Waveform1（FIFOWr）、GPIF Waveform 2（SnglRd）和GPIF Wave-form 3（SnglWr）。這些波形描述符可以動態(tài)地配置給任何一個端點(diǎn)FIFO。FX2的固件程序可以把這些描述符配置給4個FIFO中的任意一個；配置后，GPIF將依據(jù)波形描述符產(chǎn)生相應(yīng)的控制邏輯和握手信號給外界接口，以滿足向FIFO讀／寫數(shù)據(jù)的需要。每個波形描述符包含了7個有效狀態(tài)（S0～S6）和1個空閑狀態(tài)。在每個有效狀態(tài)對應(yīng)的時間段里，經(jīng)過預(yù)先設(shè)置，GPIF可以完成以下幾項(xiàng)工作：驅(qū)動（使高或低）或浮接CTL輸出，采樣或驅(qū)動FIFO的數(shù)據(jù)總線，增加GPIF地址總線的值和指向當(dāng)前FIFO指針的值，以及啟動GPIFWF（GPIF波形）中斷。除此之外，在每個狀態(tài)下，GPIF還可以對幾個信號（如RDY輸入端、FIFO狀態(tài)標(biāo)志位、內(nèi)部RDY標(biāo)志位和傳輸計數(shù)終止標(biāo)志位）中的任意兩個進(jìn)行采樣，把其中兩個信號相“與”、相“或”或者相“異或”，并根據(jù)結(jié)果跳轉(zhuǎn)到其他任意一個狀態(tài)或延遲1～256個時鐘周期，當(dāng)然也可以根據(jù)輸入端的信號進(jìn)行跳轉(zhuǎn)或延遲。

FIFO讀波形配置（FIFORd）如圖5所示。在狀態(tài)0時，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)為有效（activate），GPIF把數(shù)據(jù)讀到FIFO中。在狀態(tài)1時，GPIF產(chǎn)生一個正脈沖信號RDCLK（CTL0）給外圍設(shè)備，表示已經(jīng)讀取了一個數(shù)據(jù)，同時判斷數(shù)據(jù)是否傳輸結(jié)束。如果還沒有，則不斷循環(huán)狀態(tài)O和狀態(tài)l，直到讀完所有數(shù)據(jù)為止；讀完所有數(shù)據(jù)后，不再經(jīng)過中間其他任何狀態(tài)，就直接跳到狀態(tài)7（Idle），表示完成本次數(shù)據(jù)傳輸。從圖5中町以看出，在兩個時鐘周期內(nèi)完成了一個數(shù)據(jù)（8位或16位）的讀取，如果數(shù)據(jù)為雙字節(jié)寬，那么傳輸速率可達(dá)48 Mb／s，從而充分利用了USB2．0的傳輸帶寬，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?/p>

3.2 驅(qū)動程序設(shè)計

USB系統(tǒng)驅(qū)動程序由3部分組成：USB設(shè)備驅(qū)動程序、USB總線驅(qū)動程序和USB主控制器驅(qū)動程序。其中，Windows操作系統(tǒng)已經(jīng)提供了處于驅(qū)動程序棧底的USB總線驅(qū)動程序和USB主控制器驅(qū)動程序；而USB設(shè)備驅(qū)動程序由設(shè)備開發(fā)者編寫，通過向USB總線驅(qū)動程序發(fā)送包含URB（USB Request Block）的IRP（I／O RequestPaeket），以實(shí)現(xiàn)USB外設(shè)之間的信息交換。

開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動程序，可采用Numega公司的開發(fā)包Driver Works和Mierosoft公司的2000DDK，并以VC++6．O作為輔助開發(fā)環(huán)境來完成。在Cypress公司的EZ-USBFX2開發(fā)包中，提供了完整的CY7C68013驅(qū)動程序源代碼、控制面板程序及固件的框架，可以大大加快用戶開發(fā)的進(jìn)度。用戶只需對所帶驅(qū)動程序稍加修改甚至無需任何修改，再經(jīng)DDK編譯后使用，軟件開發(fā)者大量的時間主要集中在應(yīng)用程序和固件的開發(fā)上。本設(shè)計所用的USB設(shè)備驅(qū)動程序就是對FX2開發(fā)包所帶的驅(qū)動程序做了一些修改，主要是修改了DeviceIoControl例程，增加了控制數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)、啟動和停止AD、復(fù)位FIFO等。

3．3 應(yīng)用程序設(shè)計

用戶程序是USB系統(tǒng)與用戶的接口，其關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)從USB外設(shè)讀取或發(fā)送USB設(shè)備請求、命令和特定量的數(shù)據(jù)等，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理（如存儲、顯示等）。在編寫用戶程序時，首先要建立與外設(shè)的連接，然后才能實(shí)施數(shù)據(jù)的傳輸。

本設(shè)計使用的是C++Builder6編譯環(huán)境，在C++Builder6環(huán)境下通過API函數(shù)去調(diào)用USB驅(qū)動。基本步驟為：首先打開設(shè)備的句柄；然后進(jìn)行讀／寫和控制操作；最后關(guān)閉設(shè)備句柄。程序中主要用到的兩個API函數(shù)CreatFile（）和DeviceloControl（）就是通過該句柄實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?/p>

4、結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了基于USB2．O控制器CY7C68013的GFIF接口軟硬件設(shè)計方案。該設(shè)計充分利用了CY7C68013芯片的通用可編程接口特性，很大程度上解決了USB2．0設(shè)備存在的傳輸瓶頸問題，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。同時，由于利用了芯片的呵編程特性，因此在具備了普通USB接口方式的諸多優(yōu)點(diǎn)之外，還簡化了外部硬件設(shè)計，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，有利于PCB板的制作和調(diào)試。

經(jīng)驗(yàn)證，在USB2．O的高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中，基于USB2．0微控制器CY7C68013的GPIF接口設(shè)計是一種比較好的解決傳輸速度問題的方案。

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