用EZ－USB實(shí)現(xiàn)TMS320C6X與主機(jī)數(shù)據(jù)傳輸

1 USB控制芯片

Cypress公司的EZ－USB FX2系列芯片是最早符合USB2.0協(xié)議的微控制器之一。它集成了收發(fā)器（transceiver）、串行接口引擎（SIE），增強(qiáng)型的8051內(nèi)核以及可編程的外圍接口（GPIF），F(xiàn)X2系列芯片獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使數(shù)據(jù)傳輸速度最高可達(dá)到56Mbps，最大程度地滿足了USB2.0的帶寬。

CY7C68013的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

FX2的端點(diǎn)緩沖區(qū)分為大小兩組：EP0、EP1（IN）、EP1（OUT）是小端點(diǎn)，大小為64字節(jié)，只能由CPU來存取，不能由外部邏輯連接；EP2、EP4、EP6、EP8是大的可配置的端點(diǎn)，EP2和EP4默認(rèn)為OUT端點(diǎn)，EP6和EP8默認(rèn)為IN端點(diǎn)。FX2為其大端點(diǎn)提供多種緩沖方式，滿足了傳輸中高帶寬的要求，傳輸過程中EZ－USB FX2從IN緩沖區(qū)中讀取上傳到主機(jī)的數(shù)據(jù)，在OUT緩沖區(qū)中寫入供外部處理器讀取的數(shù)據(jù)。它具備全速（12Mbps）和高速（480Mbps）兩種傳輸速率，并具有USB協(xié)議所規(guī)定的4種傳輸模式，即控制傳輸（control mode）、中斷傳輸（interrupt mode）、塊傳輸（bulk mode）和等時(shí)傳輸（isochronous mode）。

2 系統(tǒng)硬件構(gòu)架

2.1 USB與DSP的硬件連接

系統(tǒng)中選用的數(shù)字信號(hào)處理器是TI公司發(fā)布的C6000浮點(diǎn)系列中的TMS320C6713，其峰值處理速度能達(dá)到1350MFLOPS（百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作/s）。外設(shè)資源包括直接存儲(chǔ)器訪問控制器（DMA），外部存儲(chǔ)器接口（EMIF）、串行口、擴(kuò)展總線或主機(jī)口、定時(shí)器等。系統(tǒng)中利用其EMIF口，連接可編程邏輯芯片CPLD來擴(kuò)展USB控制接口。CY7C68013能非常靈活地實(shí)現(xiàn)與DSP或MCU的接口。當(dāng)其作為主設(shè)備時(shí)，通用可編程接口（GPIF）具有可編程的波形描述符和配置寄存器，能夠輕易地兼容絕大多數(shù)總線標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)其作為從設(shè)備時(shí)，4KB的大容量FIFO用于數(shù)據(jù)緩沖，簡(jiǎn)化了接口的外部硬件設(shè)計(jì)，可采用同步或異步方式與主設(shè)備（如ASIC，DSP等）連接。

在本方案中，使其作為從設(shè)備，選用了Slave FIFOs，異步讀/寫，在這種模式下，DSP可以像讀/寫普通FIFO一樣對(duì)CY7C68013內(nèi)部的多層緩沖FIFO進(jìn)行讀/寫。主要信號(hào)連接如圖2所示。主機(jī)（PC）發(fā)出命令的同時(shí)也由PA3提供中斷觸發(fā)信號(hào)給DSP的外部中斷引腳6（EXT_INT6）。其上升沿被檢測(cè)到以后，DSP就進(jìn)入相應(yīng)中斷服務(wù)程序，開始處理USB的傳輸，DSP通過CPLD對(duì)CY7C68013進(jìn)行讀寫及使能控制，“或”組合邏輯滿足嚴(yán)格的時(shí)序要求，F(xiàn)LAGB和FLAGC是CY7C68013內(nèi)部FIFO的空、滿狀態(tài)標(biāo)志，PA[0：1]表示PC發(fā)送的命令類型。這些信息在CPLD內(nèi)部整合到數(shù)據(jù)總線ED[0：15]，DSP開始傳輸數(shù)據(jù)包前對(duì)其提取判斷，TMS320C6713對(duì)CY7C68013內(nèi)部端點(diǎn)（EP）的選擇，是通過地址線TEA[2：3]來實(shí)現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述硬件通信模式搭建基于PC、USB、DSP的主從式系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)上電完成各模塊固件配置和硬件初始化后，可由PC發(fā)出控制命令，以外部信號(hào)觸發(fā)DSP進(jìn)入相應(yīng)的中斷處理程序，自動(dòng)完成數(shù)據(jù)流USB下載、DSB處理和USB回傳的多次循環(huán)過程；PC顯示處理后的結(jié)果。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

DSP芯片通過片中的EMIF（包括4個(gè)存儲(chǔ)空間CE[0：3]）為SDRAM，F(xiàn)lash等器件提供接口。SDRAM為同步存儲(chǔ)器件，EMIF有專門的控制線和時(shí)鐘與它進(jìn)行無(wú)縫連接（CE0空間）。這里SDRAM用做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

對(duì)于C6000系列DSP，調(diào)試好的應(yīng)用程序需要固化，以便系統(tǒng)上電時(shí)能自動(dòng)加載運(yùn)行。方案中采用Flash啟動(dòng)引導(dǎo)模式，位于EMIF異步接口CE1空間。

復(fù)位電路提供系統(tǒng)上電和工作電壓異常時(shí)的自動(dòng)復(fù)位及人工控制復(fù)位。時(shí)鐘電路為DSP處理模塊提供時(shí)鐘信號(hào)。

USB的接口電路提供PC與DSP的高速數(shù)據(jù)傳輸通道，接口芯片通過CPLD與外部處理器DSP相連，置于EMIF的CE2空間（通信模式如前所述）。

3 通信模塊軟件設(shè)計(jì)

Cypress公司為了簡(jiǎn)化和加速用戶使用EZ－USB FX2芯片進(jìn)行USB外設(shè)的開發(fā)過程，特別設(shè)計(jì)了CY7C68013的開發(fā)板，并帶有一個(gè)開發(fā)包，內(nèi)含一個(gè)USB外設(shè)所必需的驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序以及一個(gè)完整的固件程序的框架，這個(gè)框架可以執(zhí)行EZ－USB芯片的初始化，USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求的處理和USB掛起電源管理服務(wù)；用戶只需要提供一個(gè)USB描述符表，添加其他端點(diǎn)接受和發(fā)送數(shù)據(jù)的通信代碼，以及控制外圍電路的程序代碼即可。

3.1 CY7C68013的固件程序規(guī)劃

固件程序框架通過幾個(gè)不同的功能模塊，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的互操作任務(wù)執(zhí)行器，首先，通過調(diào)用用戶的初始化函數(shù)TD_Init（），初始化所有內(nèi)部狀態(tài)變量，之后，程序框架將USB口初始化為未配置狀態(tài)，并且使能中斷，以1s為時(shí)間間隔開始重新列舉（renumerate）設(shè)備，直到端點(diǎn)0收到設(shè)置包為止，一旦檢測(cè)端點(diǎn)0受多一個(gè)設(shè)置包，固件框架程序就啟動(dòng)執(zhí)行一個(gè)互操作的任務(wù)分配器，按照給定的順序重復(fù)執(zhí)行下面的任務(wù)：調(diào)用函數(shù)TD_Poll（），判斷是否有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求等待處理，確定USB核是否報(bào)告了USB掛起事件。

主要固件配置如下：

1）配置異步從FIFO（Asynchronous Slave FIFO）模式，接口驅(qū)動(dòng)采用內(nèi)部的48M赫茲的時(shí)鐘源。

2）EndPoint4和EndPoint8作為雙向傳輸?shù)墓艿溃謩e對(duì)應(yīng)緩沖FIFO4和FIFO8存放USB需要接收與下傳的數(shù)據(jù)，它們均采用批量（BULK）傳輸方式，相對(duì)于其他USB2.0定義的傳輸方式具有數(shù)據(jù)可靠、傳輸速率高等特點(diǎn)，是最常用的傳輸方式。

3）設(shè)置FIFO4、FIFO8為自動(dòng)方式，即在數(shù)據(jù)傳輸過程中無(wú)需CY7C68013的8051內(nèi)核參與，以保證持續(xù)、高速、有效的數(shù)據(jù)傳輸。

EZ－USB FX2芯片定義了幾個(gè)特殊寄存器，以輔助固件程序相應(yīng)設(shè)備請(qǐng)求，并向主機(jī)傳送數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)備收到設(shè)置包時(shí)，USB核會(huì)自動(dòng)將設(shè)置數(shù)據(jù)放入8字節(jié)的SETUPBUF緩沖區(qū)中，用戶只須從中讀取設(shè)置數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析來判斷請(qǐng)求的類型即可。

方案中部分設(shè)備請(qǐng)求代碼如下：

讀取緩沖區(qū)中第2字節(jié)由PA[0：1]發(fā)送至DSP，作為命令類型標(biāo)志（00為下傳，01為上傳，10為處理）；同時(shí)PA3口提供外部中斷觸發(fā)信號(hào)的上升沿。

固件就緒后通過Cypress公司提供的工具Control Panel加載至EEPROM中，當(dāng)需要修改固件時(shí)，就可以在不改動(dòng)硬件的情況下將主機(jī)上修改好的固件重新下載一次。

3.2 上位機(jī)流程

主機(jī)應(yīng)用程序與操作系統(tǒng)相互作用，利用PC豐富的資源，實(shí)現(xiàn)顯示驗(yàn)證，提高系統(tǒng)的可操作性，當(dāng)操作系統(tǒng)認(rèn)為有新設(shè)備接入時(shí)，就會(huì)自動(dòng)調(diào)用相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。另外，該軟件需要一個(gè)圖形用戶界面來控制所用的函數(shù)，這里采用VC＋＋6.0來編制應(yīng)用程序，首先調(diào)用CreateFile（）打開USB接口設(shè)備，獲得設(shè)備的句柄hDevice，然后計(jì)算機(jī)通過調(diào)用DeviceIoControl（）函數(shù)向外設(shè)發(fā)出。部分程序如下：

myRequest的8個(gè)成員變量對(duì)應(yīng)固件配置SETUPBUF緩沖區(qū)中8字節(jié)的（SETUPDAT）數(shù)據(jù)，其中value的值表示了主機(jī)向DSP發(fā)送的命令類型（00/01/10），使DSP配合完成接收，處理及上傳的系統(tǒng)過程。

每次調(diào)用DeviceIoControl函數(shù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量?jī)H為1KB。為了滿足大數(shù)據(jù)量或者整幀圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅枰h(huán)調(diào)用DeviceIoControl（）函數(shù)，以下載數(shù)據(jù)流的過程為例，循環(huán)體中的代碼如下：

buffer是主機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)塊的頭指針；pBy為每次下傳數(shù)據(jù)塊的首地址，是隨著循環(huán)變量i遞增的值。同樣，上傳數(shù)據(jù)的過程中也有類似的存儲(chǔ)操作。

4 系統(tǒng)測(cè)試

利用圖像序列對(duì)此主從式聯(lián)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

觸發(fā)PC機(jī)上的界面控件（PA（0：1）＝00），下載10幅經(jīng)不同程序噪聲污染的同一內(nèi)容的圖像，DSP檢測(cè)到通用外部中斷口EXT_INT6的信號(hào)（對(duì)應(yīng)USB芯片的PA3）讀入數(shù)據(jù)讀取命令類型，將10幀圖像數(shù)據(jù)存入SDRAM空間，之后，上位機(jī)繼續(xù)發(fā)出處理命令，DSP檢測(cè)到PA[0：1]＝10對(duì)存儲(chǔ)的多幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行累加平均，從而提高圖像的信噪比，在收到上傳命令（PA[0：1]＝01）時(shí)，DSP將處理完成的圖像回送至PC機(jī)顯示。

結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了通過TMS32C6713的EMIF擴(kuò)展USB接口的硬件連接、USB2.0固件程序和應(yīng)用程序的開發(fā)以及基于這種通信模式的小型聯(lián)機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，是一種比較好的高速數(shù)據(jù)傳輸與處理的解決方案。