基于ISP1581USB接口芯片的DMA傳輸應用

摘要：在USB接口和USB外設之間使用DMA方式傳輸數據，大大提高了USB傳輸數據的吞吐量。本文介紹了基于ISP1581USB接口芯片的DMA傳輸應用。

關(guān)鍵詞：ISP1581；USB2.0；DMA控制器；固件

引言

　　隨著(zhù)USB2.0規范的推出，USB總線(xiàn)的最高數據傳輸速率可達到480Mbit/s，這進(jìn)一步延伸了它的使用范圍，越來(lái)越多的設計者在設計嵌入式系統或者計算機外圍設備時(shí)開(kāi)始采用USB總線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸，為了保證高的數據傳輸速率，許多USB接口芯片提供了直接存儲器存取(DMA)方式，通過(guò)使用DMA方式，能使大量數據在計算機外圍設備與USB接口芯片之間直接傳輸，從而保證USB總線(xiàn)上數據的吞吐量。本文以Philips公司(現獨立為NXP公司)的ISP1581USB接口芯片為例，介紹USB接口芯片的DMA傳輸應用。

硬件電路設計

　　ISP1581是USB2.0接口芯片，它有7個(gè)IN端點(diǎn)，7個(gè)OUT端點(diǎn)和1個(gè)固定的控制IN/OUT端點(diǎn)，內部集成8K字節的多結構FIFO 存儲器，特別是它有一個(gè)靈活的高速DMA接口，大大增加了數據的吞吐量，其內部DMA組成框圖如圖1所示。


圖1  ISP1581DMA組成框圖

　　DMA硬件由DMA接口及DMA控制器組成，通過(guò)初始化DMA相關(guān)寄存器及發(fā)送DMA命令可以選擇DMA的工作方式，即兩字節的通用DMA傳輸或者三字節的IDE規范傳輸，本文主要介紹通用DMA的應用，通用DMA有兩種工作方式，即主機DMA(MDMA)和從機DMA(GDMA)方式，MDMA時(shí)芯片內的DMA控制器作為主控方，由它產(chǎn)生DMA傳輸需要的控制時(shí)序，GDMA時(shí)，需要在外部單獨設計一個(gè)DMA控制器(外設DMA控制器)并作為主控方，并由它產(chǎn)生傳輸所需控制時(shí)序。由于DMA控制器和USB 內核使用的是同一個(gè)FIFO(內部RAM)，所以DMA 控制器接收到DMA命令后，可直接控制數據從內部RAM傳送到外部DMA設備或從外部DMA設備傳送到內部RAM。圖1中各信號的含意如下：

D0～D15：DMA傳輸數據線(xiàn)，雙向。
DREQ：DMA請求信號，GDMA時(shí)輸出，MDMA時(shí)輸入。
DACK：DMA應答信號，GDMA時(shí)輸入，MDMA時(shí)輸出。
DIOR：DMA讀信號，GDMA時(shí)輸入，MDMA時(shí)輸出。
DIOW：DMA寫(xiě)信號，GDMA時(shí)輸入，MDMA時(shí)輸出。
EOT：GDMA傳送終止信號，輸入，主要用在GDMA方式。

　　其它信號主要用在IDE規范傳輸中，在此不作介紹。由于GDMA方式數據傳輸速度更高且使用靈活，所以下面主要介紹GDMA的應用。


圖2  DMA從機方式應用原理框圖

　　圖2是GDMA應用框圖，是某自動(dòng)測試設備數字I/O板的一部分，圖中 ISP1581外接單片機(AT89C55)作為控制器，單片機同時(shí)也是該板的控制核心，存儲器選用256K×18bit雙口RAM(IDT70V631)，ISP1581采用GDMA方式讀寫(xiě)該雙口RAM，外設DMA控制器在可編程器件FPGA中實(shí)現。

　　系統的工作過(guò)程是：當主控計算機需要和數字I/O板大批量交換數據時(shí)，向ISP1581發(fā)出批量傳輸命令，批量傳輸命令中包含了數據的傳輸方向，數據個(gè)數等信息，ISP1581接收到命令后，通過(guò)中斷方式通知單片機中的固件讀取該命令，固件完成對DMA的初始化，如選擇DMA端點(diǎn)，初始化DMA計數器，發(fā)送DMA命令等，ISP1581內部的DMA控制器在準備好后，將發(fā)出DREQ信號給外設DMA控制器，外設DMA控制器接收到DREQ信號后，做好數據傳輸準備，回應一個(gè)DACK信號，然后產(chǎn)生DIOR或者DIOW完成DMA傳輸。

　　外設DMA控制器是在FPGA中完成設計的，要正確設計GDMA控制器必需了解GDMA模式的工作時(shí)序(見(jiàn)圖3)。圖中已經(jīng)初始化DREQ高有效，DACK低有效，DIOR和DIOW低有效，Tcy1為DMA讀寫(xiě)周期，最快為12.8MHz，本設計使用10MHz。Tsu3為DIOR/DIOW有效前的DACK建立時(shí)間，最小可以為0。


圖3 GDMA從機模式時(shí)序

　　外設DMA控制器電路設計如圖4所示，當固件對ISP1581完成初始化并發(fā)出DMA傳輸命令后，ISP1581內部的DMA控制器在準備好傳輸后發(fā)出DREQ信號(高電平)，對該信號反相后可作為DACK信號(低電平)，圖中R/信號為DMA讀寫(xiě)控制信號，可以由固件控制產(chǎn)生，該信號和DACK及10MHz時(shí)鐘信號相或后產(chǎn)生DIOR及DIOW信號。例如GDMA工作于寫(xiě)方式，數據從ISP1581內部RAM傳送到外部雙口RAM，控制器在接收到有效的DREQ信號后，經(jīng)過(guò)反相，作為DACK信號回應ISP1581的DMA控制器，這時(shí)候固件通過(guò)控制R/W為高，該信號反相后與DACK及10MHz時(shí)鐘相或產(chǎn)生DIOR，控制數據從內部RAM傳送到外部雙口RAM。雙口RAM的控制信號及地址產(chǎn)生電路設計較為簡(jiǎn)單，可以結合DIOR及DIOW信號來(lái)產(chǎn)生。


圖4  DMA控制電路圖

軟件設計

　　USB固件中實(shí)現DMA傳輸的相關(guān)程序包括初始化程序及傳輸控制程序，其信息處理流程如圖5所示。

　　首先對DMA進(jìn)行初始化，即設置一系列相關(guān)寄存器：DMA配置寄存器、DMA硬件寄存器、DMA中斷使能寄存器、DMA中斷源寄存器、DMA端點(diǎn)寄存器、DMA傳輸計數器寄存器、DMA命令寄存器等，初始化程序如下：

void DMA_Init(void)
{
//GDMA
D14_Cntrl_Reg.D14_D MA_COMMAND=0x11; //DMA復位
//設置DMA配置寄存器
//GDMA，16bit數據，DIOR/DIOW有效，允許DMA計數器，DREQ一直保持到傳完數據
D14_Cntrl_Reg.D14_GDMA _CONFIG.VALUE=0x01;
D14_Cntrl_Reg.D14_UDM A_CONFIG.VALUE=0;
//設置DMA硬件寄存器
//DIOR/DIOW低電平有效，DREQ高電平有效，DACK低有效，GDMA從機方式，EOT低有效，正常數據
D14_Cntrl_Reg.D14_DMA _HARDWARE.VALUE=0x04;
//設置DMA中斷使能寄存器
//DMA傳輸計數器為零中斷，檢測到一個(gè)外部或者內部EOT中斷
D14_Cntrl_Reg.D14_DMA_INT_E NABLE.VALUE=0x000d; 
}

　　初始化完成后，接收PC機發(fā)來(lái)的DMA傳輸命令，該命令包含了數據的傳輸方向，數據個(gè)數等信息，然后設置DMA傳輸標志，主程序在檢測到該標志后，調用DMA傳輸子程序，在該子程序中，根據DMA傳輸方向情況分別進(jìn)行DMA讀寫(xiě)處理，在發(fā)出DMA讀或者寫(xiě)命令前還需要對DMA端點(diǎn)寄存器、DMA傳輸計數器寄存器進(jìn)行初始化，完成這些工作后，ISP1581DMA控制器將向外設DMA控制器發(fā)送DMA傳輸請求信號DREQ，外設在準備好傳輸后，返回應答信號DACK，然后啟動(dòng)外設DMA控制器開(kāi)始DMA傳輸，一次DMA傳輸最大1024個(gè)字節，一次是否傳輸完成通過(guò)檢測DMA中斷寄存器的標志位DMA_XFER_OK及EXT_EOT進(jìn)行判斷，DMA_XFER_OK為1，表明DMA傳輸結束，EXT_EOT是強行結束GDMA傳輸的外部信號，本設計沒(méi)有使用，已經(jīng)固定接為高電平(無(wú)效狀態(tài))，如果需要傳輸的數據大于1024字節，則需要多次傳輸才能完成，在傳輸完成后清除DMA傳輸標志。


圖5  GDMA固件信息處理流程圖

結語(yǔ)

　　通過(guò)采用DMA傳輸方式，USB在傳輸不大于1024字節數據時(shí)傳輸速度達到10M字/秒，但當需要傳輸的數據遠大于1024字節時(shí)，由于DMA傳輸需要固件支持，實(shí)際的傳輸速度有所下降，設計中可以通過(guò)提高單片機的工作時(shí)鐘來(lái)改善USB的傳輸速度。本設計已經(jīng)成功應用到某測試設備中，提高了系統的數據傳輸速度，達到設計要求。

參考文獻：
1. Philips Semiconductors公司，ISP1581 Programming Guide [EB/OL]，(2002年3月).http://www.flexiusb.com
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