TMS320C54XX DSP的USB接口實(shí)現

(1)連接靈活、使用方便 現在計算機系統連接外圍設備的接口并無(wú)統一的標準，如鍵盤(pán)用PS／2接口，打印機用25針的并行接口等。USB則將這些不同的接口統一起來(lái)，由一組微小的矩型插座和軟件構成。用戶(hù)插入外設后，計算機系統能夠自動(dòng)識別接人的外設，而不需要重新啟動(dòng)系統，用戶(hù)可以帶電插拔；為USB設計的驅動(dòng)程序和應用軟件可以自動(dòng)啟動(dòng)，無(wú)需用戶(hù)干預USB設備，也不涉及IRQ沖突等問(wèn)題；USB單獨使用自己的保留中斷，不會(huì )同其它設備爭用PC機的有限資源。

(2)為外設提供電源 USB能自動(dòng)識別外設所需的電源，并通過(guò)USB電纜向該設備供電(最高可達500mA)。

(3)速度快 USB的最高傳輸率可達12Mbit／s，比串口速度快100倍，比并口速度快近10倍。USB端口的傳輸速率比目前PC機平臺上的任何其它類(lèi)型端口的傳輸速率都快。預計今后USB的速度將會(huì )提高到100Mbit／s以上。

(4)支持多媒體 USB提供了對電話(huà)的兩路數據支持，它可支持異步及等時(shí)數據傳輸，使電話(huà)可與PC機集成，共享語(yǔ)音郵件及其它功能。由于USB音頻信息生成于計算機外，因而減少了電子噪音干擾聲音質(zhì)量的機會(huì )，從而使音頻系統具有更高的保真度。

1 USB接口芯片AN2131Q

目前市場(chǎng)上USB接口芯片很多，使用較為廣泛的是Crypress公司的AN2131系列的USB接口芯片AN2131Q。AN2131Q具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)基于RAM的“軟”系統解決方案(SOFT，RAMBASED)，不需要ROM或其它的固化存儲器，而只使用片內的程序／數據RAM。通過(guò)主機下載的方式來(lái)配置USB接口，因而使接口系統的修改和升級變得非常簡(jiǎn)單，使外設硬件的更新和升級變得更為方便。

(2)數據吞吐量完全達到USB協(xié)議要求，可以向用戶(hù)提供足夠的端口、緩沖區和傳輸速度；提供USB協(xié)議要求的全部四種傳輸方式(控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸)，可以滿(mǎn)足用戶(hù)對各種類(lèi)型數據傳輸的需求。

(3)片上的串行接口處理機(SIE)完成大部分的USB協(xié)議操作，使用戶(hù)可以擺脫復雜的協(xié)議細節，簡(jiǎn)化了用戶(hù)配置代碼，加快了開(kāi)發(fā)過(guò)程。

(4)內嵌增強型8051處理器，兼容8051指令系統；一個(gè)指令周期僅需四個(gè)時(shí)鐘周期，可提供標準8051三倍以上的處理能力；雙數據指針，方便數據塊搬移；使用片內RAM作為數據／程序存儲器，非復用數據／地址總線(xiàn)，使程序執行速度更快，并且其同外部器件的連接更加簡(jiǎn)單。

(5)休眠模式可以降低系統功耗，延長(cháng)器件的使用壽命。

AN2131Q的功能框圖如圖1所示。

USB收發(fā)器和PC機的接口只有四根導線(xiàn)：+5V、GND、D+、D-。數據以12Mb／s的全速信號或者以1．5Mb／s的低速信號在D+和D信號線(xiàn)上差分傳輸。收發(fā)器固化在芯片上，不需要外部電路，最多只需要用來(lái)選擇全速或者低速的上拉電阻。

串行接口引擎(SIE)通過(guò)包排序、信號產(chǎn)生及檢測、CRC產(chǎn)生及校驗、NRZI數據編碼、位填充以及包標識產(chǎn)生及解碼等功能塊處理USB通信協(xié)議，并保證傳送到USB電纜上的數據字節以L(fǎng)SB開(kāi)頭。

AN2131Q采用通用的8051微控制器及片上RAM，其編程語(yǔ)言為51系列單片機的通用語(yǔ)言，使用方便。

2 TMS320C54XX DSP和AN2131Q接口芯片的硬件連接

TMS320C54XX DSP芯片選用TI公司的TMS320VC5409，TMS320VC5409是定點(diǎn)DSP芯片，它使用改進(jìn)的哈佛結構，8級流水線(xiàn)操作，最高速度可以達到166MIPS。

在A(yíng)N2131Q芯片和TMS320C54XX DSP芯片之間采用FIFO(First In First Out SRAM)芯片連接，可以使USB接口芯片和DSP之間的最大數據交換速度超過(guò)USB總線(xiàn)的速度，使之不成為數據傳輸的瓶頸，從而使DSP和主機間的數據傳輸速度只受USB協(xié)議限制。

由于A(yíng)N2131Q芯片內嵌8位8051處理器，所以使用兩片8位FIFO芯片實(shí)現USB接口和DSP之間的雙向通信。FIFO選用具有1K9bit內存的IDT72V02。從AN2131Q或者DSP傳輸的數據首先保存在FIFO中，然后再由DSP或者AN2131Q讀走，從而使得數據的傳輸不會(huì )出現堵塞情況，其硬件連接框圖如圖2所示。

由于選用的FIFO只有雙端數據總線(xiàn)和狀態(tài)信號，沒(méi)有地址總線(xiàn)，所以DSP采用I／O譯碼方式訪(fǎng)問(wèn)FIFO。FIFO狀態(tài)信號有空(EF)、半滿(mǎn)(HF)和滿(mǎn)(FF)，它們都是低有效。合理利用這三個(gè)信號可以很有效地提高FIFO的讀寫(xiě)效率。例如利用HF，如果其無(wú)效，表示FIFO中的數據沒(méi)有達到半滿(mǎn)，此時(shí)不用查詢(xún)FF就可以向FIFO中寫(xiě)入一塊數據，只要數據塊的大小等于或小于FIFO容量的一半，FIFO肯定不會(huì )滿(mǎn)溢出。這樣就可以大大提高FIFO的寫(xiě)入速度。

3 TMS320C54XX DSP芯片和AN2131Q芯片的軟件連接

AN2131Q芯片和TMS320C54XX DSP芯片之間的軟件連接包括四個(gè)部分：AN2131Q對FIF01的寫(xiě)、AN2131Q對FIF02的讀、DSP對FIF01的讀、DSP對FIF02的寫(xiě)。為了描述方便，將FIF01的三個(gè)狀態(tài)信號稱(chēng)之為：EF1、HFl和FF1，將FIF02的狀態(tài)信號稱(chēng)為EF2、HF2和FF2。

3.1 AN2131Q寫(xiě)FIF01

當USB總線(xiàn)上有數據要傳送至DSP時(shí)，AN2131Q查詢(xún)HFl。若HFl無(wú)效，AN2131Q一次向FIF01寫(xiě)入一個(gè)數據包。包大小要小于或等于FIF01容量的一半，寫(xiě)每一個(gè)字節時(shí)不需再查詢(xún)FFl。

3.2 DSP讀FIF01

DSP每次從FIF01中讀人一個(gè)數據包。每讀一個(gè)字節前，DSP需要查詢(xún)EFl，只有當EFl無(wú)效(FIF01不空)時(shí)，DSP才可能進(jìn)行讀操作。

3.3 DSP寫(xiě)FIF02

當DSP有數據要傳送至主機時(shí)，DSP把數據打包，每次向FIF02中寫(xiě)入一包數據。方法同AN2131Q寫(xiě)FIF01，只不過(guò)DSP查詢(xún)的信號是HF2。寫(xiě)完一包后，DSP向AN2131Q發(fā)一個(gè)中斷信號，DSP在寫(xiě)下一包數據時(shí)要等待AN2131Q的應答。AN2131Q應答的方法是利用DSP的外部中斷INTl中斷DSP。

3.4 AN2131Q讀FIF02

AN2131Q收到DSP發(fā)出的中斷信號，應答DSP后，從FIF02中讀人一包數據，不用再查詢(xún)EF2。

3.5數據包格式

每個(gè)數據包由包頭和數據兩部分構成，如圖3所示。包頭長(cháng)度為一個(gè)字節，指明以字節為單位包中數據(不含包頭)的長(cháng)度。包中的數據要少于或等于64字節，即最大的包總長(cháng)度為65字節。

圖3數據包格式

3.6 DSP中斷AN2131Q的方法

通過(guò)操作控制字向AN2131Q發(fā)一個(gè)負脈沖，下降沿有效，時(shí)序要求如圖4所示。

3.7 DSP讀FIFO狀態(tài)

方法一是DSP通過(guò)讀I／0地址OXXX XXXX XXXX X010b可獲得狀態(tài)信號EFl和HF2。方法二是DSP通過(guò)置TMS320VC5409狀態(tài)寄存器STl中的XF位，從BIO引腳上獲取狀態(tài)信號。當XF置1時(shí)，BIO引腳反映HF2的電平，當XF置0時(shí)反映EFl的電平。

4 AN2131Q芯片驅動(dòng)程序的實(shí)現

AN2131Q芯片的一個(gè)特點(diǎn)就是能夠按照個(gè)人需要通過(guò)“下載”和“重列舉”動(dòng)態(tài)地改變設備性能。AN2131Q芯片內部有不可改變的存儲單元存放特有的代理號(VID)和產(chǎn)品號(PID)，VID／PID將綁定主機中的某個(gè)設備驅動(dòng)程序，而該驅動(dòng)程序的唯一任務(wù)就是向AN2131Q下載程序代碼。

用戶(hù)需要編寫(xiě)三個(gè)程序來(lái)實(shí)現USB設備的使用。―個(gè)是負責USB接口調用程序，用于PC機識別USB設備；另一個(gè)是安裝USB的信息文件，用于對USB設備的一些說(shuō)明；第三個(gè)是AN2131Q使用的程序，用于對數據的傳輸。下面對這三個(gè)程序分別做一些簡(jiǎn)單的說(shuō)明。

4.1負責USB接口調用程序

Cypress提供了制作該程序的模板。首先，將KEIL51編譯生成的16進(jìn)制文件轉換為可寫(xiě)入USB RAM中的二進(jìn)制文件。然后將該二進(jìn)制文件拷人模板中，調用DDK(Device Driver Kit)，在DDK環(huán)境下對模板進(jìn)行編譯，生成驅動(dòng)程序的系統文件。USB通過(guò)GPD(General Purpose Driver)實(shí)現上層軟件與USB的通信。GPD提供一種用戶(hù)模式的界面，完成USB設備的請求和數據傳輸。Cypress的開(kāi)發(fā)工具包中提供了其開(kāi)發(fā)面板的源程序，而其開(kāi)發(fā)面板的設計就是基于GPD的。這使得開(kāi)發(fā)者在例子程序的指引下，能快速地編寫(xiě)出用于通信的應用軟件。GPD的設計思想是服務(wù)于一般用戶(hù)的，其接口函數具有通用性。通過(guò)GPD提供的接口函數的原型，可以實(shí)現各種USB操作。包括實(shí)現負責USB設備的請求(即打開(kāi)USB設備)；負責USB的I／O口控制；通過(guò)改變IOCTL(I／O Control Code)實(shí)現各種操作。

4.2安裝USB的信息文件

安裝文件的任務(wù)就是將驅動(dòng)程序文件綁定到特定的VID／PID。主要說(shuō)明哪一個(gè)文件是負責USB接口調用程序，哪一個(gè)文件是AN2131Q需要下載的文件。Crypress公司提供了一個(gè)標準的USB安裝信息文件。然而用戶(hù)還需要將自己對USB設備的描述(包括說(shuō)明、版本號、日期、生產(chǎn)商等信息)加到安裝信息文件中。

4.3 AN2131Q使用的程序

AN2131Q使用的程序是在PC機找到USB設備后下載到AN2131Q芯片內的程序，此程序實(shí)現AN2131Q對FIFO和USB接口的監控和讀寫(xiě)數據。這個(gè)文件因為涉及到下層硬件的連接，不可能提供通用的模板，需要用戶(hù)自己編寫(xiě)。