USB2.0控制器CY7C68013的接口设计实现

1 引言

USB（Universal Serial Bus）接口以其速度快、功耗低、支持即插即用（Plug & Play）、使用安装方便等优点而得到了广泛的应用。目前USB2.0标准的传输速度已达480Mb/s，这使得USB可以推广到硬盘、信息家电网络产品和其它快速外设。在某些应用场合，如基于硬盘的大容量数据采集与分析系统中，为了使用方便，需要将普通硬盘转化成海量存储器，这样在使用时就不需关机重启或打开机箱来安装。本文介绍一种利用带USB接口的单片机芯片CY7C68013来控制普通硬盘的读写，从而半普通硬盘转化为USB2.0海量存储器的可行方案，本系统可扩展，完全可用于实现基于硬盘的大容量数据采集与分析系统。


2 硬件设计

2．1 USB接口芯片

本设计选用的是Cypress公司的EZ-USBFX2系列芯片中的CY7C68013，这是一种带USB接口的单片机芯片，虽然采用低价的8051单片机，但仍然能获得很高的速度。它包括一个8051处理器、一个串行接口引擎（SIE）、一个USB收发器、一个8.5kB片上RAM、一个4 kB FIFO存储器及一个通用可编程接口（GPIF）。FX2可提供全面集成的解决方案。它有56SSOP、100TQFP、128TQFP三种封装，本设计选用占用电路板空间较少的56SSOP封装。如果要进行扩展，也可选用128TQFP封装。

2．2 ATA接口

ATA接口是在ST506的基础上改进而成的，它将控制器集成到驱动器中，采用8个端口寄存器（即命令寄存器）来完成对硬盘的读写，ATA有两种工作模式：PIO模式和DMA模式。本设计采用的DMA传输模式不需要处理器参与整个数据传输过程，而是由I/O口直接将数据传送到存储器中，从而节约大量的CPU时间以更好的处理其它事件。控制器对硬盘的操作分为两种：8位数据的命令操作和16位数据的数据传输操作。在对硬盘输出控制命令之前，程序需对端口完整输出7字节的命令块。其中前六个端口为参数，最后一个端口为命令码。读写操据端口一般以512字节作为数据块进行。硬盘执行命令后发出中断请求以表示操作结束（结束传输），也可以置控制器状态为空闲，以表示扇区请求传输（数据传输）。最后，由控制器读取硬盘状态寄存器，以检测硬盘操作的成功与否。如操作正常，则进行下一次动作；否则进入错误处理程序。

2．3 GPIF与ATA接口

FX2芯片的最主要特点是可通过USB2.0的通用可编程接口（GPIF）为特定的应用接口编程，以便使用多种协议完成与外围器件的无缝连接，如EIDE/ATAPI，IEEE1284，Utopia等。其编程可以根据需要进行，且其中不需要CPU的干预，只是通过一些CPU标志和中断即可与增强型8051内核进行通讯。系统结构框图如图1所示。
本设计采用"GPIF主控"接口模式，并使用PORTB和PORTD双向FIFO数据线来构成通向四个FX2端点FIFO（EP2、EP4、EP6、EP8）的16位数据接口，以用来连接数据线DD[15:0]并进行数据的传送；GPIF作为内部主控器与FIFO相连，并通过产生用户可编程的控制主控器与FIFO相连，并通过产生用户可编程的控制信号CTL[2：0]与外部接口进行通信。同时，GPIF还可以通过RDY[1：0]引脚采用外部信号并等待外部事件。由于GPIF的运算速度比FIFO快得多，因此其时序信号具有很好的编程分辨率。

FX2用4个波形描述符来控制各个状态。这些波形描述符可动态的配置给任何一个端点FIFO。配置后，GPIF将依据波形描述符产生相应的控制逻辑CTL及握手信号RDY来和外界接口，以满足向FIFO读写数据的需要。GPIF的数据总线可以是8位FD[7：0]，也可以是16位FD[15：0]，本设计采用16位数据总线。其硬盘读数据控制波形如图2所示。


每个波形描述符包含了S0~S6七个有效状态和一个空闲状态。在每个有铲状态对应的时间段里，经过预先设置，GPIF可以做出以下几件事件；驱动（使高或低）或浮接CTL输出、采样或驱动FIFO的数据总线、增加GPIF地址总线的值、增加指向当前FIFO指针的值和启动GPIFWF（GPIF波形）中断。除此之外，在每个状态，GPIF还可以对以下几个信号中的任意两个进行采样，它们是：RDYX输入端、FIFO状态标志位、内部RDY标志位和传输计数终止标志位。每个GPIF动作都由七段组成，每个状态都可以定义为Non-Decision Interval (NDP)或Decision Point Interval(DP)。当某个状态定义为NDP时，在执行此状态动作时，系统只是用简单的延时来确定产生指定电平的延续时间；而当执行DP状态时，它将根据RDY0、RDY1上的输入信号状态把其中的两个信号相与、相或或者相异，然后根据结果跳转到其它任意一个状态或延迟1~256个IFCLK时钟周期。当然也可根据输入端信号进行跳转或延迟。

图2中，在第一个DP时刻，若硬盘中数据已准备就绪，硬盘会传给GPIF一个负脉冲信号RDY0，根据此信号，波形将按顺序转入2、3、4状态，并使指向内部FIFO的指针在每个时钟上升沿加1，然后依次读取四个数据，读取完数据后再利用CTL0的上升沿启动下一次读写操作。若在状态1时没有出现负脉冲，则直接跳转到状态6，之后重复此波形描述符。在这种情况下，所有的读写及控制逻辑均可通过CY7C68013的GPIF以软件编程的方式实现，且控制逻辑的变换非常方便灵活（只需改变接口的一个配置寄存器的值）。GPIF波形描述符可用Cypress公司的GPIF工具GPIFTOOL来进行配置，它是一个可以运行于Windows平台的应用程序。