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概述

   USB(UniversalSerialBus)是一種通用串列匯流排,主要用於PC與外圍USB設備的互聯。近年來,USB介面以其快速、即插即用、使用安裝方便等優點逐漸……

    USB(Universal Serial Bus)是一種通用串列匯流排,主要用於PC與外圍USB設備的互聯。近年來,USB介面以其快速、即插即用、使用安裝方便等優點逐漸成為現代數據傳輸的發展趨勢。目前,國內外採用USB1.1和USB2.0兩種規範。USB1.1主要用於低速傳輸要求的場合,支持1.5Mb/s和12Mb/s兩種傳輸速率;而USB2.0規範則提供高達480Mb/s的傳輸速率。儘管如此,在某些對數據傳輸速度要求很高的系統中,外圍設備與USB介面之間在速度上仍存在著不可忽視的傳輸瓶頸。
    Cypress公司生產的USB2.0控制器CY7C68013提供了一種獨特的介面方式,即通用可編程介面(GPIF)方式。它與傳統介面方式的主要區別有兩點:
①在數據傳輸過程中不需要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由軟體設置讀/寫控制,其控制方式類似於狀態機,提高了傳輸穩定性。
    因此,本文介紹的基於USB2.0控制器CY7C68013的GPIF介面設計,就是充分利用了該晶元這一獨特的數據傳輸介面方式,有效地解決了在傳統介面方式下USB2.0設備數據傳輸速度的局限性,大大提高了數據的傳輸速率。

1 CY7C68013簡介
    CY7C68013是Cypress公司的EZ-USB FX2系列晶元。EZ-USB FX2是一款集成USB2.0收發器的微控制器,內部結構如圖1所示。該系列晶元集成了USB2.0收發器、串列介面引擎(SIE)、帶8.5KB片上RAM的增強型高速8051單片機、4KB FIFO存儲器以及通用可編程介面等模塊.提供了全面集成的USB解決方案,無需外加晶元即可實現高速USB傳輸。FX2系列晶元最主要的特點是可以通過USB2.0的通用可編程介面為特定的應用介面編程。另外,CY7C68013的GPIF引擎具有自動傳輸數據結構的特性,這種特性使得以主/從端點FIFO(8/16位數據匯流排)為ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA、DSP等的外圍設備,可以與主機通過CY7C68013無縫、高速地傳輸數據。另外,CY7C68013內部集成的USB2.0的SIF能完成大部分USB2.0協議的處理工作,從而減少了用戶對繁雜的USB協議的處理。
 

2 硬體設計及原理
    在GPIF介面方式設計中,GPIF作為CY7C68013的端點FIFO的內部控制器,在這種方式下,CPU不會幹涉數據的傳輸。CY7C68013的GPIF介面方式如圖2所示。
 
    CY7C68013專門為GPIF提供了介面信號(包括16位數據線、輸出控制信號CTL、輸入控制信號RDY以及地址線ADR),這些信號負責完成USB介面晶元與外圍設備或器件(如FPGA、DSP等)的數據讀/寫控制和傳輸。以下為GPIF方式下的主要埠功能。

  • FDO~FDl5(輸入/輸出):USB主機通過CY7C68013與外部設備進行數據傳輸的數據線,可以用8位或16位數據線。
  • CTLO~CTL5(輸出):CY7C68013對外部設備進行控制的信號線。
  • RDY0~RDY5(輸入):CY7C68013對外部設備的狀態進行檢測的信號線。
  • SDA(雙向)、SCL(輸出):E2PROM的數據及時鐘信號線。
  • ADR0~ADR8(輸出);GPIF為外部設備提供的地址線。

    在本設計中,除了重點利用通用可編程介面來實現無縫、高速的傳輸數據外,還採用了EZ-USBFX2提供的一種獨特架構,即“量子FIFO(Quantum FIFO)”處理架構。它能較好地解決帶寬問題,圖3為其數據傳輸示意圖。當USB執行OUT時,EP2端點被設置為512位元組四重FIFO(在USB端和外部介面端,都不知道有四重FIFO),圖4為其數據傳輸原理圖。在USB端看來,只要有1個FIFO為“半滿”,那麼就可以繼續發送數據。
  
    當前操作的FIFO寫“滿”時,FX2自動將其轉換到外部介面端,排除等候讀取;並將USB介面隊列中下一個為“空”的FIFO轉移到USB介面上,供其繼續寫數據。同時,在外部介面端看來,只要有1個FIFO為“半滿”,就可以繼續讀取數據。當前操作的FIFO讀“空”時,FX2自動將其轉換到USB介面端,排除等候寫入;並將外部介面隊列中下一個為“滿”的FIFO轉移到外部介面上,供其繼續讀取數據。

3 軟體設計及實現
    本設計的軟體設計包括:固件程序、驅動程序和應用程序設計。其中,固件程序是整個程序設計的核心,它在設備CPU中運行。GPIF就是在固件中實現的,因此,只有在該程序運行時,外設才能稱之為具有給定功能的外部設備。
3.1 固件設計
    在GPIF高速數據傳輸中,GPIF波形的描述符決定了整個數據傳輸過程的時序。GPIF波形描述符通常用Cypress公司的GPIF工具(GPIFTOOL)進行配置。它是一個可運行於Windows平台的應用程序,與FX2的開發包一起發布的。在GPIF方式下,所有的讀/寫及控制邏輯通過CY7C68013的GPIF以軟體編程的方式實現,且控制邏輯的變換方便靈活(只需要改變介面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,它們分別是GPIF Waveform 0(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地配置給任何一個端點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將依據波形描述符產生相應的控制邏輯和握手信號給外界介面,以滿足向FIFO讀/寫數據的需要。每個波形描述符包含了7個有效狀態(S0~S6)和1個空閑狀態。在每個有效狀態對應的時間段里,經過預先設置,GPIF可以完成以下幾項工作:驅動(使高或低)或浮接CTL輸出,採樣或驅動FIFO的數據匯流排,增加GPIF地址匯流排的值和指向當前FIFO指針的值,以及啟動GPIFWF(GPIF波形)中斷。除此之外,在每個狀態下,GPIF還可以對幾個信號(如RDY輸入端、FIFO狀態標誌位、內部RDY標誌位和傳輸計數終止標誌位)中的任意兩個進行採樣,把其中兩個信號相“與”、相“或”或者相“異或”,並根據結果跳轉到其他任意一個狀態或延遲1~256個時鐘周期,當然也可以根據輸入端的信號進行跳轉或延遲。
    FIFO讀波形配置(FIFORd)如圖5所示。在狀態0時,數據匯流排上的數據為有效(activate),GPIF把數據讀到FIFO中。在狀態1時,GPIF產生一個正脈衝信號RDCLK(CTL0)給外圍設備,表示已經讀取了一個數據,同時判斷數據是否傳輸結束。如果還沒有,則不斷循環狀態0和狀態l,直到讀完所有數據為止;讀完所有數據后,不再經過中間其他任何狀態,就直接跳到狀態7(Idle),表示完成本次數據傳輸。從圖5中可以看出,在兩個時鐘周期內完成了一個數據(8位或16位)的讀取,如果數據為雙位元組寬,那麼傳輸速率可達48 Mb/s,從而充分利用了USB2.0的傳輸帶寬,大大提高了數據傳輸的速率。
 
3.2 驅動程序設計
    USB系統驅動程序由3部分組成:USB設備驅動程序、USB匯流排驅動程序和USB主控制器驅動程序。其中,Windows操作系統已經提供了處於驅動程序棧底的USB匯流排驅動程序和USB主控制器驅動程序;而USB設備驅動程序由設備開發者編寫,通過向USB匯流排驅動程序發送包含URB(USB Request Block)的IRP(I/O RequestPaeket),以實現USB外設之間的信息交換。
    開發USB設備驅動程序,可採用Numega公司的開發包Driver Works和Mierosoft公司的2000DDK,並以VC++6.0作為輔助開發環境來完成。在Cypress公司的EZ-USBFX2開發包中,提供了完整的CY7C68013驅動程序源代碼、控制面板程序及固件的框架,可以大大加快用戶開發的進度。用戶只需對所帶驅動程序稍加修改甚至無需任何修改,再經DDK編譯后使用,軟體開發者大量的時間主要集中在應用程序和固件的開發上。本設計所用的USB設備驅動程序就是對FX2開發包所帶的驅動程序做了一些修改,主要是修改了DeviceIoControl常式,增加了控制數據傳輸函數、啟動和停止AD、複位FIFO等。

3.3 應用程序設計
    用戶程序是USB系統與用戶的介面,其關鍵是實現從USB外設讀取或發送USB設備請求、命令和特定量的數據等,並對數據進行一系列處理(如存儲、顯示等)。在編寫用戶程序時,首先要建立與外設的連接,然後才能實施數據的傳輸。
    本設計使用的是C++Builder6編譯環境,在C++Builder6環境下通過API函數去調用USB驅動。基本步驟為:首先打開設備的句柄;然後進行讀/寫和控制操作;最後關閉設備句柄。程序中主要用到的兩個API函數CreatFile()和DeviceloControl()就是通過該句柄實現數據傳輸的。

結語
    本文詳細介紹了基於USB2.0控制器CY7C68013的GFIF介面軟硬體設計方案。該設計充分利用了CY7C68013晶元的通用可編程介面特性,很大程度上解決了USB2.0設備存在的傳輸瓶頸問題,大大提高了數據傳輸速率。同時,由於利用了晶元的可編程特性,因此在具備了普通USB介面方式的諸多優點之外,還簡化了外部硬體設計,提高了系統穩定性,有利於PCB板的製作和調試。經驗證,在USB2.0的高速數據採集與處理系統中,基於USB2.0微控制器CY7C68013的GPIF介面設計是一種比較好的解決傳輸速度問題的方案。


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