基于EZ_USB與FX2的通用數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

1 引言

在各種計(jì)算機(jī)外圍接口不斷推陳出新的今天，USB接口已漸漸成為現(xiàn)今個(gè)人計(jì)算機(jī)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(xiàn)今一般消費(fèi)性電子產(chǎn)品和工業(yè)控制設(shè)備上不可缺少的接口。USB接口在全速模式下傳輸速度可達(dá)到12Mb/s，高速模式則達(dá)到480Mb/s。FX2內(nèi)嵌增強(qiáng)型8051微控制內(nèi)核，并使用8051標(biāo)準(zhǔn)指令集，但指令的執(zhí)行速度比標(biāo)準(zhǔn)的8051快5～10倍。因?yàn)樵搩?nèi)核中的一個(gè)總線周期由4個(gè)時(shí)鐘周期組成，而標(biāo)準(zhǔn)8051的一個(gè)總線周期是由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(biāo)準(zhǔn)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(shè)備。本文正是基于這一新型總線技術(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(shù)據(jù)傳輸模塊，在任何一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，經(jīng)采集系統(tǒng)處理后的數(shù)據(jù)都可以存放在雙口RAM或其他存儲(chǔ)器中，再與該USB傳輸模塊相連就可以實(shí)現(xiàn)與PC主機(jī)的通信。這里著重介紹CY7C68013的硬件接口設(shè)計(jì)及其GPIF功能。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)框圖

2.2 硬件工作過(guò)程

對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸模塊的核心器件USB2.0控制器CY7C68013，它既負(fù)責(zé)USB事務(wù)處理也兼具處理器的控制功能，以實(shí)現(xiàn)主機(jī)和USB設(shè)備間的協(xié)議轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)加電復(fù)位后，按照USB的規(guī)范應(yīng)答，進(jìn)行設(shè)備識(shí)別和總線枚舉，即計(jì)算機(jī)檢測(cè)到有設(shè)備插入，自動(dòng)發(fā)出查詢請(qǐng)求，USB設(shè)備回應(yīng)這個(gè)請(qǐng)求，送出設(shè)備的Vendor ID和Product ID，計(jì)算機(jī)根據(jù)這兩個(gè)ID加載相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，并將控制權(quán)交給8051，8051通過(guò)總線對(duì)系統(tǒng)芯片的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)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(chǔ)器以及1個(gè)通用可編程接口（GPIF）。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器高速雙口靜態(tài)RAM CY7C026的規(guī)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(shù)據(jù)存取，兩個(gè)端口具有獨(dú)立的控制信號(hào)線、地址線和數(shù)據(jù)線，另外通過(guò)主/從選擇可以方便地?cái)U(kuò)存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)寬度。通過(guò)芯片的信號(hào)量標(biāo)志器，左、右兩端口可以實(shí)現(xiàn)芯片資源的共享，CY7C026的數(shù)據(jù)傳輸主要通過(guò)“信箱”實(shí)現(xiàn)。所謂“信箱”指芯片將存儲(chǔ)器的高地址3FFF作為左端口的“信箱”，3FFE作為右端口的“信箱”。當(dāng)左端口將數(shù)據(jù)寫入右端口的“信箱”時(shí)，右端口的INTR管腳就會(huì)產(chǎn)生中斷信號(hào)，即INTR管腳置低。右端口讀取該數(shù)據(jù)后中斷信號(hào)自動(dòng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)中可以在雙口RAM中任意選取0x1024～0x5119和0x5120～0x9215兩個(gè)緩沖區(qū)，地址空間均為4KB。雙口RAM中被寫入數(shù)據(jù)后，在右端口產(chǎn)生的中斷信號(hào)由FPGA接收。FPGA收到中斷信號(hào)后，立即對(duì)CY7C68013產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，“詢問(wèn)”USB是否準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù)。若CY7C68013返回的是“準(zhǔn)備好”信號(hào)，則FPGA讀取左端口“信箱”中的數(shù)據(jù)。定義當(dāng)讀取的數(shù)據(jù)為“00”時(shí)，F(xiàn)PGA從地址為0x1024的緩沖區(qū)開始讀數(shù)；當(dāng)讀取的數(shù)據(jù)為“ff”時(shí)，從地址為0x5120的緩沖區(qū)開始讀數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的雙緩沖讀寫。由于雙口RAM的地址線為14根[13:0]，GPIF只有9根地址線[8:0]，因此通過(guò)FPGA對(duì)USB的地址進(jìn)行擴(kuò)展，在USB產(chǎn)生握手信號(hào)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AB[13:0]。

3 軟件設(shè)計(jì)

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?yàn)橥獠窟壿嬁芍苯涌刂艶IFO。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(dú)立時(shí)鐘?！癎PIF主控”接口模式使用PORTB和PORTD構(gòu)成通向四個(gè)FX2端點(diǎn)FIFO(EP2、EP4、EP6和EP8)的16位數(shù)據(jù)接口。GPIF作為內(nèi)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(hào)（CTR0-5）和6個(gè)通用就緒輸入信號(hào)（RDY0-5），用戶可通過(guò)編程來(lái)決定控制信號(hào)的輸出狀態(tài)，亦即芯片在接收到什么樣的就緒信號(hào)之后執(zhí)行相應(yīng)的操作。用戶程序存放在處于芯片內(nèi)部RAM的波形描述器中^[1]。由于GPIF的運(yùn)行速度比FIFO快得多，因此其時(shí)序信號(hào)具有很高的編程分辨率。另外，GPIF既可以使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘（48MHz），也可以由外部振蕩電路提供^[2]。因此，本系統(tǒng)使用GPIF模式的數(shù)據(jù)傳輸方案，只要輸出信號(hào)和就緒信號(hào)作相應(yīng)的組合，就可以實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的控制時(shí)序^[5]。

3.2 GPIF波形代碼

對(duì)GPIF的編程，可采用Cypress公司提供的基于Windows界面的開發(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(gòu)成，即初始變量（WaveData、FlowStates和InitData）的定義和GPIFInit（）的實(shí)現(xiàn)。在初始化函數(shù)中主要就是配置與GPIF相關(guān)的寄存器^[3]。GPIF的程序存儲(chǔ)區(qū)一般情況下存儲(chǔ)4組波形，分別是Single Read、Single Write、Fifo Read、Fifo Write。從本系統(tǒng)需求出發(fā)，現(xiàn)將CY7C68013設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)有效。本設(shè)計(jì)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(shè)置數(shù)據(jù)有效時(shí)間為4個(gè)CLK，完全能夠滿足地址有效時(shí)間的要求。

圖3為USB批量讀取雙口RAM中數(shù)據(jù)的波形描述。系統(tǒng)初始化時(shí)，在FPGA的控制下，雙口RAM的片選信號(hào)CE、輸出使能OE以及讀寫選通信號(hào)RW均被設(shè)為有效狀態(tài)。在S0時(shí)，地址自動(dòng)加1，接著數(shù)據(jù)有效，持續(xù)約84ns后啟動(dòng)下一次轉(zhuǎn)換。從圖上可以清楚地看出地址與數(shù)據(jù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3.3 固件程序設(shè)計(jì)

固件程序代碼開發(fā)主要是根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序框架圖（如圖4所示），然后調(diào)用固件函數(shù)庫(kù)(Ezusb.lib)提供的函數(shù)進(jìn)行編程。由于用到了GPIF，就必須對(duì)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(shè)定任務(wù)。固件程序的編寫選用Keil公司的KeilC5l編譯器(V6.10)。它為805l微控制器的軟件開發(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(duì)于傳統(tǒng)的匯編開發(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(jī)中，就可以實(shí)現(xiàn)GPIF進(jìn)行多字節(jié)讀等操作。在程序開始時(shí), 固件架構(gòu)會(huì)執(zhí)行下列步驟：

(1) 設(shè)置所有的內(nèi)部狀態(tài)變量，即設(shè)置起始的初值。

(2) 調(diào)用用戶的初始設(shè)置函數(shù)TD_ Init ()。待返回后，固件架構(gòu)就會(huì)設(shè)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(nèi)，開始重新設(shè)備列舉(ReNumerate)，直到設(shè)置(SETUP)封包收到端點(diǎn)0為止。

(4) 當(dāng)SETUP封包被檢測(cè)到后，固件架構(gòu)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(fù)地執(zhí)行下面的工作：

①調(diào)用用戶函數(shù)TD_ Poll()。

②是否決定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)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(qǐng)求，并且加以響應(yīng)^[6]。即檢測(cè)是否有標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備請(qǐng)求，如果有，則執(zhí)行指令并做出相應(yīng)的操作。

③是否決定USB核心已經(jīng)報(bào)告了USB中止(Suspend)事件。如果已決定，它會(huì)調(diào)用用戶函數(shù)TD_Suspend()。若取得成功的返回，則測(cè)試回復(fù)(Resume)事件。反之，如果未檢測(cè)到，它將會(huì)把微處理器放入中止模式中。當(dāng)回復(fù)事件被檢測(cè)到時(shí)，將調(diào)用用戶函數(shù)TD_Resume()，并且連續(xù)地跳回至步驟③。若從TD_Suspend()函數(shù)中未收到成功的返回，再連續(xù)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總線連接外部的EEPROM，固件代碼事先通過(guò)燒寫器寫入EEPROM中，USB設(shè)備上電運(yùn)行時(shí)，通過(guò)I2C總線將EEPROM中固件代碼載入。EZ-USB支持外部EEPROM通過(guò)總線來(lái)下載固件，這種方式使開發(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(shè)備開發(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(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，當(dāng)該設(shè)備接入U(xiǎn)SB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，用戶只需要通過(guò)Cypress公司提供的開發(fā)軟件UsbControlPanel中Download項(xiàng)，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(shè)備，方便程序的修改調(diào)試。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用Cypress公司的USB總線專用接口芯片CY7C68013，完成了基于GPIF的通用數(shù)據(jù)傳輸模塊的硬件與軟件設(shè)計(jì)。芯片的可編程特性提高了系統(tǒng)工作的可靠性，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，抗干擾能力強(qiáng)，便于數(shù)據(jù)的傳輸和處理。另外，USB設(shè)備具有“熱插拔”和即插即用的特性，使用方便，無(wú)需關(guān)機(jī)重啟或打開機(jī)箱進(jìn)行裝卸，具有良好的應(yīng)用前景和很高的實(shí)用價(jià)值。

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