USB2．0微控制器CY7C68013的GPIF接口設(shè)計(jì)

引 言
USB(Universal Serial Bus)是一種通用串行總線(xiàn)，主要用于PC與外圍USB設(shè)備的互聯(lián)。近年來(lái)，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(shì)。目前，國(guó)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(chǎng)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(duì)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(guò)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(xiě)控制，其控制方式類(lèi)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(jì)，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(jiǎn)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(chǔ)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(wú)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(guò)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(dòng)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(xiàn))為ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA、DSP等的外圍設(shè)備，可以與主機(jī)通過(guò)CY7C68013無(wú)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(hù)對(duì)繁雜的USB協(xié)議的處理。

2 硬件設(shè)計(jì)及原理
在GPIF接口方式設(shè)計(jì)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(huì)干涉數(shù)據(jù)的傳輸。CY7C68013的GPIF接口方式如圖2所示。

CY7C68013專(zhuān)門(mén)為GPIF提供了接口信號(hào)(包括16位數(shù)據(jù)線(xiàn)、輸出控制信號(hào)CTL、輸入控制信號(hào)RDY以及地址線(xiàn)ADR)，這些信號(hào)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(xiě)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(guò)CY7C68013與外部設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)線(xiàn)，可以用8位或16位數(shù)據(jù)線(xiàn)。
CTLO～CTL5(輸出)：CY7C68013對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行控制的信號(hào)線(xiàn)。
RDY0～RDY5(輸入)：CY7C68013對(duì)外部設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)的信號(hào)線(xiàn)。
SDA(雙向)、SCL(輸出)：E2PROM的數(shù)據(jù)及時(shí)鐘信號(hào)線(xiàn)。
ADR0～ADR8(輸出)；GPIF為外部設(shè)備提供的地址線(xiàn)。

在本設(shè)計(jì)中，除了重點(diǎn)利用通用可編程接口來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)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(wèn)題，圖3為其數(shù)據(jù)傳輸示意圖。當(dāng)USB執(zhí)行OUT時(shí)，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(lái)，只要有1個(gè)FIFO為“半滿(mǎn)”，那么就可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

當(dāng)前操作的FIFO寫(xiě)“滿(mǎn)”時(shí)，F(xiàn)X2自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換到外部接口端，排除等候讀??；并將USB接口隊(duì)列中下一個(gè)為“空”的FIFO轉(zhuǎn)移到USB接口上，供其繼續(xù)寫(xiě)數(shù)據(jù)。同時(shí)，在外部接口端看來(lái)，只要有1個(gè)FIFO為“半滿(mǎn)”，就可以繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)前操作的FIFO讀“空”時(shí)，F(xiàn)X2自動(dòng)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(gè)為“滿(mǎn)”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(jì)及實(shí)現(xiàn)
本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)包括：固件程序、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。其中，固件程序是整個(gè)程序設(shè)計(jì)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(shí)，外設(shè)才能稱(chēng)之為具有給定功能的外部設(shè)備。

3．1 固件設(shè)計(jì)
在GPIF高速數(shù)據(jù)傳輸中，GPIF波形的描述符決定了整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程的時(shí)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(gè)可運(yùn)行于Windows平臺(tái)的應(yīng)用程序，與FX2的開(kāi)發(fā)包一起發(fā)布的。在GPIF方式下，所有的讀／寫(xiě)及控制邏輯通過(guò)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(gè)配置寄存器的值)。

FX2由4個(gè)GPIF波形描述符控制各個(gè)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(dòng)態(tài)地配置給任何一個(gè)端點(diǎn)FIFO。FX2的固件程序可以把這些描述符配置給4個(gè)FIFO中的任意一個(gè)；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(hào)給外界接口，以滿(mǎn)足向FIFO讀／寫(xiě)數(shù)據(jù)的需要。每個(gè)波形描述符包含了7個(gè)有效狀態(tài)(S0～S6)和1個(gè)空閑狀態(tài)。在每個(gè)有效狀態(tài)對(duì)應(yīng)的時(shí)間段里，經(jīng)過(guò)預(yù)先設(shè)置，GPIF可以完成以下幾項(xiàng)工作：驅(qū)動(dòng)(使高或低)或浮接CTL輸出，采樣或驅(qū)動(dòng)FIFO的數(shù)據(jù)總線(xiàn)，增加GPIF地址總線(xiàn)的值和指向當(dāng)前FIFO指針的值，以及啟動(dòng)GPIFWF(GPIF波形)中斷。除此之外，在每個(gè)狀態(tài)下，GPIF還可以對(duì)幾個(gè)信號(hào)(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(jì)數(shù)終止標(biāo)志位)中的任意兩個(gè)進(jìn)行采樣，把其中兩個(gè)信號(hào)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(gè)狀態(tài)或延遲1～256個(gè)時(shí)鐘周期，當(dāng)然也可以根據(jù)輸入端的信號(hào)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(shí)，數(shù)據(jù)總線(xiàn)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(shí)，GPIF產(chǎn)生一個(gè)正脈沖信號(hào)RDCLK(CTL0)給外圍設(shè)備，表示已經(jīng)讀取了一個(gè)數(shù)據(jù)，同時(shí)判斷數(shù)據(jù)是否傳輸結(jié)束。如果還沒(méi)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(guò)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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成了一個(gè)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(dòng)程序設(shè)計(jì)
USB系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序由3部分組成：USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、USB總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序和USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序。其中，Windows操作系統(tǒng)已經(jīng)提供了處于驅(qū)動(dòng)程序棧底的USB總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)程序和USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序；而USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序由設(shè)備開(kāi)發(fā)者編寫(xiě)，通過(guò)向USB總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，可采用Numega公司的開(kāi)發(fā)包Driver Works和Mierosoft公司的2000DDK，并以VC++6．O作為輔助開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)完成。在Cypress公司的EZ-USBFX2開(kāi)發(fā)包中，提供了完整的CY7C68013驅(qū)動(dòng)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(hù)開(kāi)發(fā)的進(jìn)度。用戶(hù)只需對(duì)所帶驅(qū)動(dòng)程序稍加修改甚至無(wú)需任何修改，再經(jīng)DDK編譯后使用，軟件開(kāi)發(fā)者大量的時(shí)間主要集中在應(yīng)用程序和固件的開(kāi)發(fā)上。本設(shè)計(jì)所用的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序就是對(duì)FX2開(kāi)發(fā)包所帶的驅(qū)動(dòng)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(dòng)和停止AD、復(fù)位FIFO等。

3．3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
用戶(hù)程序是USB系統(tǒng)與用戶(hù)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(qǐng)求、命令和特定量的數(shù)據(jù)等，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列處理(如存儲(chǔ)、顯示等)。在編寫(xiě)用戶(hù)程序時(shí)，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(jì)使用的是C++Builder6編譯環(huán)境，在C++Builder6環(huán)境下通過(guò)API函數(shù)去調(diào)用USB驅(qū)動(dòng)。基本步驟為：首先打開(kāi)設(shè)備的句柄；然后進(jìn)行讀／寫(xiě)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(gè)API函數(shù)CreatFile()和DeviceloControl()就是通過(guò)該句柄實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?/P>

結(jié)語(yǔ)
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(jì)方案。該設(shè)計(jì)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(wèn)題，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。同時(shí)，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(jiǎn)化了外部硬件設(shè)計(jì)，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(jì)是一種比較好的解決傳輸速度問(wèn)題的方案。