基于USB2.0的高速数据通信接口设计

由于DSP的工作频率较高，如TMS320C6203B时钟频率高达250MHZ，故其数据读写周期很短，然而PC机串口读写速度较低，最大数据吞吐量约为115kbps，尽管DSP在与这些慢速外设进行数据交换时可以加入额外的等待周期，但是在实时性要求苛刻，算法复杂的场合，将DSP从这些冗长的等待周期中解放出来，将其时间重点放在处理关键的实时任务中去，有着重要的实际意义[1]。为了提高系统的实时性, 高速接口电路设计显得尤为重要。目前流行的EZ-USB FX2芯片的传输速率为480Mbps，较好地解决了DSP与PC机间高速数据传输时的带宽瓶劲问题。本文设计并实现了TMS320C6000 系列DSP上, 利用EZ-USB FX2系列芯片CY7C68013 的接口技术, 实现了DSP 与计算机之间的高速数据传输。

1 CY7C68013结构特点

CY7C68013是Cypress公司研制开发的EZ-USB FX2系列芯片，该芯片符合USB2.0规范，同时兼容USB1.0的全速工作模式[2]，它的功能框图主要包括5个部分（图1）：

(1)收发器。USB和PC机通过D+和D-两根信号线进行数据传输，数据以480Mbit/s的全速信号或者以240Mbit/s的半速信号在D+和D-信号线上差分传输。

(2)智能接口引擎(SIE)。SIE通过包排序、信号产生、信号检测、CRC产生、CRC校验、NRZI数据编码、位填充、包标识产生和解码等功能来处理USB通信协议，并保证传送到USB电缆上的数据字节以LSB开头。

(3)通用微控制器以及片上RAM。USB控制器采用通用的8051微控制器，即编程语言为51系列单片机的通用语言，可使实际操作更加灵活方便。

(4)I2C总线控制器。主要为完成将USB控制器作为主设备时必须的配置。

(5)片内FIFO。其容量为4KB，可以快速实现与不同速度的外设通信。

2 CY7C68013与TMS320C6203B的接口电路设计

CY7C68013是一个非常方便的USB2.0实现方案，它提供与DSP连接的接口，连接方式有两种：Slave FIFOs和Master可编程接口GPIF[3]。本文采用Slave FIFOs异步读写方式。Slave FIFOs方式是从机方式，DSP可以象读写普通FIFO一样对CY7C68013内部的多层缓冲进行读写。具体的电路连接如图2所示：

图1 CY7C68013功能框图




图2 CY7C68013与TMS320C6203B电路连接图

FLAGA、FLAGB和FLAGC是CY7C68013内部FIFO的状态标志，TMS320C6203B通过通用I/O口获得CY7C68013内部FIFO的空、半满（由用户设定半满阈值）和满这3个状态信号，EMIF接口的CE2空间对CY7C68013进行读写操作。其工作过程为：DSP通过USB向PC发送数据时，首先查看空、半满和满这3个状态信号，然后向USB写入适当大小的数据，以保证数据不会溢出；PC机通过USB向DSP发送命令字时，USB通过中断方式通知DSP读取命令字。

3 软件设计

系统的软件设计包括3部分：C8051固件设计、设备驱动程序没计和应用软件设计。CY7C68013的功能具体实现过程如下：

(1)当设备连接时，Windows的设备管理器自动检测到该设备，并读取由CY7C68013核心(并非C805l固件)传回的设备描述符，根据它提供的厂商和产品ID号VID/PID(存放在FX2外接E2PROM中)与.inf文件进行比较，找到固件下载驱动程序(ezloader.sys)，从主机将C8051固件下载到CY7C68013的RAM中。

(2)C8051固件下载到RAM后，CY7C68013仿真一个脱离再连接至USB总线的过程，执行重新枚举过程，让C805l固件控制USB传输。Windows的设备管理器会检测到新的USB设备的连接，并根据C8051固件提供的厂商ID(VID)/产品ID(PID)(不同于CY7C68013核心提供的VID/PID)来加载该USB设备的设备驱动程序。

(3)应用软件调用CreateFile()API函数，使用识别该设备的符号链接来取得该设备的代号。取得设备的句柄后，应用软件通过DeviceIoControl()向I/O系统服务发出要求传入数据的I/O请求，I/O管理器将此请求构造成一个合适的IRP传递给CY7C68013设备驱动程序。CY7C68013设备驱动程序根据该IRP中包含的具体操作来构造相应的USB请求块，并据此形成新的IRP传递给USB总线驱动程序。USB总线驱动程序根据该USB请求块从CY7C68013设备读取数据。操作的结果再用IRP一层一层地返回给应用程序，应用程序再对数据进行分析和处理[4]。

3.1 C8051固件设计

Cypress公司为了简化固件开发，缩短时间，加速USB外围的开发，在EZ-USB FX2软件开发包里提供了固件架构。该固件架构利用C8051的程序代码来实现CY7C68013芯片起始设置、USB标准设备请求的处理以及USB闲置模式的电源管理服务。用户仅需提供其USB描述符表(即dscr.a51)及实现外围功能的程序代码(periph.c)，即可完成完全兼容的USB设备。

固件的编译在Kei的集成开发环境中进行，在建立的项目中包含5个文件ez_usb.lib、

usbjmptb.obj、dscr.a51和periph.c，其中：

固件架构程序流程如图3所示。该程序首先初始化所有的内部状态变量，然后调用TD_Init函数进行初始化，初始化主要包括：

(1)使CY7C68013工作于异步从FIFO模式。相应的寄存器操作为IFCONFIG=0xCB。

(2)将4KB的FIFO对应到两个端点(EndPoint)，即EndPoint2和EndPoint6。相应的寄存器操作为：EP2(：FG=0xA0，EP6(：FG=0xE2。EndPoint2与EndPoint6分别对应21kB的内部FIFO(下面分别称作FIF02，FIF06)，存放LJSB需要上传与接收的数据。其中EndPoint2为OUT型，负责从主机接收数据；EndPoint6为IN型，负责向主机发送数据。另外EndPoint2

与EndPoint6均采用批量(BULK)传输方式，这种方式相对于其他LJSB2．0定义的传输方式

具有数据可靠、传输速率高等特点，是最常用的传输方式。www.51kaifa.com/

(3)对FIF0进行配置。相应的寄存器操作为E192FIFO(：FG=0xl 1，EP6FIFOCFG=0x0D。本案例将FIF02，FIF06设置成自动方式。