基于EZ_USB與FX2的通用數據傳輸模塊設計

1 引言

在各種計算機外圍接口不斷推陳出新的今天，USB接口已漸漸成為現今個(gè)人計算機上最重要的接口之一，并以其傳輸速度快、使用方便和價(jià)格低廉等特點(diǎn)成為現今一般消費性電子產(chǎn)品和工業(yè)控制設備上不可缺少的接口。USB接口在全速模式下傳輸速度可達到12Mb/s，高速模式則達到480Mb/s。FX2內嵌增強型8051微控制內核，并使用8051標準指令集，但指令的執行速度比標準的8051快5～10倍。因為該內核中的一個(gè)總線(xiàn)周期由4個(gè)時(shí)鐘周期組成，而標準8051的一個(gè)總線(xiàn)周期是由12個(gè)時(shí)鐘周期組成的，而且，它的時(shí)鐘頻率為24M或48M，而標準的8051的時(shí)鐘頻率為6M或12M。USB具有熱拔熱插功能，可以連接多個(gè)USB外圍設備。本文正是基于這一新型總線(xiàn)技術(shù)，選用USB2.0芯片CY7C68013、Xilinx公司的FPGA XC2S50E和雙口RAM CY7C026組成一個(gè)通用的數據傳輸模塊，在任何一種數據采集系統中，經(jīng)采集系統處理后的數據都可以存放在雙口RAM或其他存儲器中，再與該USB傳輸模塊相連就可以實(shí)現與PC主機的通信。這里著(zhù)重介紹CY7C68013的硬件接口設計及其GPIF功能。

2 硬件設計

2.1 系統框圖

2.2 硬件工作過(guò)程

對于數據傳輸模塊的核心器件USB2.0控制器CY7C68013，它既負責USB事務(wù)處理也兼具處理器的控制功能，以實(shí)現主機和USB設備間的協(xié)議轉換。系統加電復位后，按照USB的規范應答，進(jìn)行設備識別和總線(xiàn)枚舉，即計算機檢測到有設備插入，自動(dòng)發(fā)出查詢(xún)請求，USB設備回應這個(gè)請求，送出設備的Vendor ID和Product ID，計算機根據這兩個(gè)ID加載相應的驅動(dòng)程序，并將控制權交給8051，8051通過(guò)總線(xiàn)對系統芯片的各項參數進(jìn)行初始化設置。CY7C68013包括1個(gè)8051處理器、1個(gè)串行接口引擎（SIE）、1個(gè)USB收發(fā)器、8.5KB片上RAM、4KB FIFO存儲器以及1個(gè)通用可編程接口（GPIF）。數據存儲器高速雙口靜態(tài)RAM CY7C026的規格為16K16，存取速度小于25ns，具有真正的雙端口，可以同時(shí)進(jìn)行數據存取，兩個(gè)端口具有獨立的控制信號線(xiàn)、地址線(xiàn)和數據線(xiàn)，另外通過(guò)主/從選擇可以方便地擴存儲容量和數據寬度。通過(guò)芯片的信號量標志器，左、右兩端口可以實(shí)現芯片資源的共享，CY7C026的數據傳輸主要通過(guò)“信箱”實(shí)現。所謂“信箱”指芯片將存儲器的高地址3FFF作為左端口的“信箱”，3FFE作為右端口的“信箱”。當左端口將數據寫(xiě)入右端口的“信箱”時(shí)，右端口的INTR管腳就會(huì )產(chǎn)生中斷信號，即INTR管腳置低。右端口讀取該數據后中斷信號自動(dòng)復位。本設計中可以在雙口RAM中任意選取0x1024～0x5119和0x5120～0x9215兩個(gè)緩沖區，地址空間均為4KB。雙口RAM中被寫(xiě)入數據后，在右端口產(chǎn)生的中斷信號由FPGA接收。FPGA收到中斷信號后，立即對CY7C68013產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號，“詢(xún)問(wèn)”USB是否準備好接收數據。若CY7C68013返回的是“準備好”信號，則FPGA讀取左端口“信箱”中的數據。定義當讀取的數據為“00”時(shí)，FPGA從地址為0x1024的緩沖區開(kāi)始讀數；當讀取的數據為“ff”時(shí)，從地址為0x5120的緩沖區開(kāi)始讀數，實(shí)現了對數據的雙緩沖讀寫(xiě)。由于雙口RAM的地址線(xiàn)為14根[13:0]，GPIF只有9根地址線(xiàn)[8:0]，因此通過(guò)FPGA對USB的地址進(jìn)行擴展，在USB產(chǎn)生握手信號給FPGA后，在GPIFADR[8]下降沿的觸發(fā)下，高位地址A[13:9]自動(dòng)加1，從而組合成地址總線(xiàn)AB[13:0]。

3 軟件設計

3.1 GPIF接口模式

CY7C68013有三種可用的接口模式：端口、GPIF主控和從FIFO。在“端口”模式下，所有I/O引腳都可作為8051的通用I/O口。在“從FIFO”模式下，外部邏輯或外部處理器直接與FX2端點(diǎn)FIFO相連。在這種模式下，GPIF不被激活，因為外部邏輯可直接控制FIFO。這種模式下，外部主控端既可以是異步方式，也可以是同步方式，并可以為FX2接口提供自己的獨立時(shí)鐘?！癎PIF主控”接口模式使用PORTB和PORTD構成通向四個(gè)FX2端點(diǎn)FIFO(EP2、EP4、EP6和EP8)的16位數據接口。GPIF作為內部的主控制器與FIFO直接相連，具有6個(gè)可編程控制輸出信號（CTR0-5）和6個(gè)通用就緒輸入信號（RDY0-5），用戶(hù)可通過(guò)編程來(lái)決定控制信號的輸出狀態(tài)，亦即芯片在接收到什么樣的就緒信號之后執行相應的操作。用戶(hù)程序存放在處于芯片內部RAM的波形描述器中^[1]。由于GPIF的運行速度比FIFO快得多，因此其時(shí)序信號具有很高的編程分辨率。另外，GPIF既可以使用芯片內部時(shí)鐘（48MHz），也可以由外部振蕩電路提供^[2]。因此，本系統使用GPIF模式的數據傳輸方案，只要輸出信號和就緒信號作相應的組合，就可以實(shí)現多種復雜的控制時(shí)序^[5]。

3.2 GPIF波形代碼

對GPIF的編程，可采用Cypress公司提供的基于Windows界面的開(kāi)發(fā)工具GPIF Designer。它提供了一個(gè)非常友好的可視化窗口，在圖形界面上進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改，就可以生成一個(gè)名為*.c關(guān)于波形描述符的源文件。該源文件主要由兩部分構成，即初始變量（WaveData、FlowStates和InitData）的定義和GPIFInit（）的實(shí)現。在初始化函數中主要就是配置與GPIF相關(guān)的寄存器^[3]。GPIF的程序存儲區一般情況下存儲4組波形，分別是Single Read、Single Write、Fifo Read、Fifo Write。從本系統需求出發(fā)，現將CY7C68013設為Fifo Read模式，讓GPIF中的Slave FIFO與USB通信中端點(diǎn)緩沖直接建立連接，數據的傳送不再需要CPU的參與^[4]。雙口RAM的讀操作時(shí)序如圖2所示，在地址產(chǎn)生至少25ns后，數據線(xiàn)上的數據有效。本設計采用48MHz晶振，每個(gè)時(shí)鐘周期為21ns，因此在GPIF Designer的波形中設置數據有效時(shí)間為4個(gè)CLK，完全能夠滿(mǎn)足地址有效時(shí)間的要求。

圖3為USB批量讀取雙口RAM中數據的波形描述。系統初始化時(shí)，在FPGA的控制下，雙口RAM的片選信號CE、輸出使能OE以及讀寫(xiě)選通信號RW均被設為有效狀態(tài)。在S0時(shí)，地址自動(dòng)加1，接著(zhù)數據有效，持續約84ns后啟動(dòng)下一次轉換。從圖上可以清楚地看出地址與數據之間的對應關(guān)系。

3.3 固件程序設計

固件程序代碼開(kāi)發(fā)主要是根據系統需求設計相應的程序框架圖（如圖4所示），然后調用固件函數庫(Ezusb.lib)提供的函數進(jìn)行編程。由于用到了GPIF，就必須對端點(diǎn)進(jìn)行初始化和重新列舉，然后在任務(wù)處理器中設定任務(wù)。固件程序的編寫(xiě)選用Keil公司的KeilC5l編譯器(V6.10)。它為805l微控制器的軟件開(kāi)發(fā)提供了C語(yǔ)言環(huán)境，同時(shí)保留了匯編代碼高效、快速的特點(diǎn)，相對于傳統的匯編開(kāi)發(fā)環(huán)境更加靈活、高效和易于使用。將代碼在KeilC51環(huán)境中進(jìn)行編譯。編譯通過(guò)后，將固件代碼下載到USB單片機中，就可以實(shí)現GPIF進(jìn)行多字節讀等操作。在程序開(kāi)始時(shí), 固件架構會(huì )執行下列步驟：

(1) 設置所有的內部狀態(tài)變量，即設置起始的初值。

(2) 調用用戶(hù)的初始設置函數TD_ Init ()。待返回后，固件架構就會(huì )設置USB接口成為未配置的狀態(tài)，并且使能中斷。

(3) 在1s的時(shí)間間隔內，開(kāi)始重新設備列舉(ReNumerate)，直到設置(SETUP)封包收到端點(diǎn)0為止。

(4) 當SETUP封包被檢測到后，固件架構就會(huì )啟動(dòng)與其合作的工作分配器。而這個(gè)工作分配器就會(huì )按順序重復地執行下面的工作：

①調用用戶(hù)函數TD_ Poll()。

②是否決定標準設備請求是未定(或等待決定)的。如果已決定，它將會(huì )分析所收到的命令請求，并且加以響應^[6]。即檢測是否有標準的設備請求，如果有，則執行指令并做出相應的操作。

③是否決定USB核心已經(jīng)報告了USB中止(Suspend)事件。如果已決定，它會(huì )調用用戶(hù)函數TD_Suspend()。若取得成功的返回，則測試回復(Resume)事件。反之，如果未檢測到，它將會(huì )把微處理器放入中止模式中。當回復事件被檢測到時(shí)，將調用用戶(hù)函數TD_Resume()，并且連續地跳回至步驟③。若從TD_Suspend()函數中未收到成功的返回，再連續地跳至步驟③^[6]。

圖4

固件程序的載入有兩種方式。方式一：通過(guò)芯片的I2C總線(xiàn)連接外部的EEPROM，固件代碼事先通過(guò)燒寫(xiě)器寫(xiě)入EEPROM中，USB設備上電運行時(shí)，通過(guò)I2C總線(xiàn)將EEPROM中固件代碼載入。EZ-USB支持外部EEPROM通過(guò)總線(xiàn)來(lái)下載固件，這種方式使開(kāi)發(fā)者可以從外圍硬件來(lái)下載8051程序代碼，但是不利于在設備開(kāi)發(fā)階段使用。方式二：使用該芯片特有軟配置功能，將固件程序存儲在計算機中，當該設備接入USB電纜時(shí)，由于EZ-USB具有重新枚舉的能力，所以在初始化枚舉以后，用戶(hù)只需要通過(guò)Cypress公司提供的開(kāi)發(fā)軟件UsbControlPanel中Download項，就可以將固件載入到控制芯片中。該方法完全是軟操作，不需要額外的硬件設備，方便程序的修改調試。

4 結束語(yǔ)

利用Cypress公司的USB總線(xiàn)專(zhuān)用接口芯片CY7C68013，完成了基于GPIF的通用數據傳輸模塊的硬件與軟件設計。芯片的可編程特性提高了系統工作的可靠性，數據不會(huì )丟失，抗干擾能力強，便于數據的傳輸和處理。另外，USB設備具有“熱插拔”和即插即用的特性，使用方便，無(wú)需關(guān)機重啟或打開(kāi)機箱進(jìn)行裝卸，具有良好的應用前景和很高的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻

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