基于CY7C68013的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計*

熊俊俏，劉崢

(武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北武漢430073)

USB控制器是以USB串口引擎為主的專用集成電路，并可延伸至對其進(jìn)行管理的MCU以及相應(yīng)的軟硬件。目前市場上供應(yīng)的USB控制器主要有2種:帶USB接口的單片機(jī)(MCU)或純粹的USB接口芯片。帶USB接口的單片機(jī)可分為2類:一類是從底層設(shè)計專用于USB控制的單片機(jī)，如Cypress公司的CY7C63513、CY7C64013等[1]，由于開發(fā)工具的專用性，往往應(yīng)用于各種專業(yè)應(yīng)用場合，如微機(jī)主板等[2-4]；另一類是增加了USB接口的普通單片機(jī)，如Intel公司的8X931、8X930以及Cypress公司的EZ-USB，由于均基于8051內(nèi)核，因而得到了廣泛應(yīng)用。

1 CY7C68013與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介

Cypress公司的CY7C68013芯片是集成USB2.0協(xié)議的微處理器，支持12 Mb/s的全速傳輸和480 Mb/s的高速傳輸，具有控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸和同步傳輸4種傳輸方式，內(nèi)部包括一個增強(qiáng)型8051處理器內(nèi)核、一個串行接口引擎(SIE)、一個USB收發(fā)器、8.5 KB片上RAM和4 KB FIFO存儲器以及一個通用可編程接口(GPIF)。8051可工作在48 MHz/24 MHz/12 MHz時鐘頻率，內(nèi)部可自動產(chǎn)生480 MHz的頻率供USB2.0串行收發(fā)引擎使用。由于數(shù)據(jù)緩沖器與SIE相連接，數(shù)據(jù)進(jìn)入收發(fā)器后，通過SIE可直接轉(zhuǎn)向FIFO，通過8 bit或16 bit數(shù)據(jù)接口與外設(shè)連接，存取數(shù)據(jù)。微控制器不參與數(shù)據(jù)傳輸，但允許以FIFO或RAM的方式訪問這些共享FIFO，從而實(shí)現(xiàn)低速控制、高速傳輸。CY7C68013有GPIF/SLAVE FIFO/GPIO 3種接口模式，本系統(tǒng)采用Slave FIFO接口模式，選用控制傳輸和塊傳輸2種方式，外部控制器可像普通FIFO一樣對FIFO進(jìn)行讀寫。

本數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分為3部分:發(fā)送端和接收端、CY7C68013控制器、具有并/串(或串并轉(zhuǎn)換)功能的CPLD芯片(MAX7128)以及光纖傳輸模塊。其中，CY7C68013和MAX7128之間采用并行連接方式，MAX7128與激光發(fā)送(接收)模塊間是串行連接，如圖1(a)所示。

圖1(a)中，主機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送到CY7C68013端點(diǎn)FIFO緩沖器中，然后CY7C68013將端點(diǎn)FIFO中的數(shù)據(jù)分字節(jié)放到一組I/O口上，并且使能讀信號，MAX7128讀取I/O上的邏輯值，當(dāng)接收512 B后，MAX7128將這512 B的數(shù)據(jù)從低到高串行發(fā)送給激光發(fā)送模塊；數(shù)據(jù)經(jīng)過光纖傳輸，進(jìn)入激光接收模塊，輸出串行信號，通過MAX7128實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)寬度為8 bit，通過CY7C68013的從屬FIFO的寫入時序即可將數(shù)據(jù)寫入CY7C68013的端點(diǎn)緩沖器中。

USB數(shù)據(jù)傳輸接口開發(fā)分為4個層次，接口硬件、接口軟件、驅(qū)動和應(yīng)用程序如圖1(b)所示。

2 固件程序設(shè)計

由于高速數(shù)據(jù)傳輸不需要固件程序參與，固件程序僅僅處理主機(jī)的發(fā)送請求。在發(fā)送端，固件將數(shù)據(jù)放置到I/O口上供MAX7128讀取；在接收端，MAX7128完成串并轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)用特定時序?qū)懭隒Y7C68013。此時只需設(shè)定寄存器，固件程序相對簡單，圖2為發(fā)送和接收固件程序流程。

CY7C68013芯片固件程序負(fù)責(zé)處理主(從)機(jī)發(fā)送來的各種請求，以完成與外圍電路間的各種數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)固件一共包含九個程序文件，其中的頭文件分別定義了CY7C68013中的寄存器名和特殊功能寄存器、通用的CY7C68013常量、數(shù)據(jù)類型和宏、特殊功能寄存器所需要的同步延遲宏、用來描述CY7C68013狀態(tài)的各種USB描述符、INT2和INT4中斷跳轉(zhuǎn)表等。主函數(shù)負(fù)責(zé)處理標(biāo)準(zhǔn)USB請求和自定義請求，控制整個硬件系統(tǒng)的運(yùn)行。接收端固件主循環(huán)不用做任何操作，與發(fā)送端程序流程圖完全相同。其固件運(yùn)行的主程序清單如下，負(fù)責(zé)處理主機(jī)發(fā)出的各種USB請求。

需要強(qiáng)調(diào)的是:固件程序設(shè)計完成后需要進(jìn)行調(diào)試，確保系統(tǒng)硬件正常工作。

(1)工作時鐘頻率的確定:晶振兩引腳對地電壓均為1.6 V左右，此時CLKOUT引腳默認(rèn)輸出為24 MHz，當(dāng)輸出48 MHz時，電壓為2.5 V。

(2)電平觸發(fā)中斷方式:中斷后一定要讀上次傳輸狀態(tài)寄存器(命令40 H～45 H)，以清除中斷寄存器中的中斷標(biāo)志，這樣中斷輸出才能變回高電平。

(3)使能端口:接收到Setup包后，必須用ACKsetup命令重新使能端口為低電平。

(4)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)標(biāo)志:在向IN端點(diǎn)寫完數(shù)據(jù)后，必須設(shè)置EP2BCH:L，指明緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)有效，示意可以發(fā)送到主機(jī)。當(dāng)IN端點(diǎn)的數(shù)據(jù)被外設(shè)讀走后，一定要調(diào)用OUTPKTEND來清除緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，否則無法向IN端點(diǎn)寫入數(shù)據(jù)。

在USB設(shè)備枚舉的過程中，可采用USB調(diào)試工具BusHound軟件來抓取它和主機(jī)的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以檢查硬件和固件程序的工作是否正確。

3 驅(qū)動程序設(shè)計

為了配合CY7C68013的工作，需要有驅(qū)動程序[6，7]以使上位機(jī)程序能正常訪問USB芯片。以Cypress公司提供的參考程序為基礎(chǔ)[1]，增加自定義控制請求即可。

由于驅(qū)動程序必須和系統(tǒng)的總線驅(qū)動進(jìn)行通信，系統(tǒng)總線驅(qū)動為WDM(Win32 Driver Model)驅(qū)動。因此，USB驅(qū)動程序采用WDM設(shè)備驅(qū)動程序[8]。由于USB總線驅(qū)動程序(USBD)一般由操作系統(tǒng)提供，負(fù)責(zé)與實(shí)際的硬件打交道，因此，重點(diǎn)是開發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動程序(USB Device Driver)。USB設(shè)備的WDM驅(qū)動程序是通過創(chuàng)建URB(USB請求塊)，并向USB總線驅(qū)動程序發(fā)送包含URB的IRP來實(shí)現(xiàn)對USB設(shè)備信息的發(fā)送和接收。此外，USB設(shè)備驅(qū)動程序除負(fù)責(zé)處理應(yīng)用程序的I/O請求外，還要處理PnP請求。

CY7C68013的驅(qū)動程序包括2部分:usbfft.sys，專用于下載芯片的固件程序；loaderfft.sys，上位機(jī)和CY7-C68013進(jìn)行通訊的部分，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能。這2個部分都存放在上位機(jī)上，當(dāng)系統(tǒng)上電或USB連接時，固件部分將自動下載到芯片的RAM中供8051執(zhí)行。

4 應(yīng)用程序設(shè)計

上位機(jī)是人機(jī)交互的平臺，需要良好的操作界面。本系統(tǒng)通過VB6.0開發(fā)了上位機(jī)應(yīng)用程序，運(yùn)行界面如圖3所示。

應(yīng)用程序是完成數(shù)據(jù)發(fā)送與接收并且對系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的平臺，不僅需要向CY7C68013發(fā)送數(shù)據(jù)，還需要將接收的數(shù)據(jù)顯示出來并保存。此外為了系統(tǒng)測試的方便，增加了誤碼率和速率測試模塊，以測試系統(tǒng)的整體性能。

本系統(tǒng)上位機(jī)的主要功能有:(1)文件的發(fā)送；(2)文件的接收；(3)速率測試；(4)誤碼率測試；(5)系統(tǒng)控制，用來獲取CY7C68013描述符以及其內(nèi)部寄存器的情況，并對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制，如使能CY7C68013的數(shù)據(jù)輸出功能及片內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移功能等。

系統(tǒng)中定義了6個時間控件來完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，timer1、timer3和timer4分別完成文件、誤碼率及速率測試的發(fā)送，Timer2、timer6和timer8分別完成文件、誤碼率及速率測試的接收。另外定義了一個時間控件來控制開啟哪一個接收數(shù)據(jù)時間控件。為了保證有效判斷所接收到的數(shù)據(jù)是文件、速率測試還是誤碼率測試數(shù)據(jù)，在timer1、timer3和timer4發(fā)送前都先發(fā)送一個512 B的前導(dǎo)包。全為1時表示下一個數(shù)據(jù)包包含著速率測試數(shù)據(jù)，全為2時表示下一個數(shù)據(jù)包包含著誤碼率測試數(shù)據(jù)，全為3時表示下一個數(shù)據(jù)包包含著文件數(shù)據(jù)。這樣就能判斷出應(yīng)該開啟哪一個接收時鐘。

具體的文件數(shù)據(jù)處理方法是:文件打開后，先將文件緩沖，定義一個二維數(shù)組:行512 B，列由文件大小決定。數(shù)組的第一個512 B前20 B記錄所發(fā)送文件的大小，并且在最開始的5 B以0xAA填充，表明這個數(shù)據(jù)包是全部文件的開始，當(dāng)文件大小不足填滿最后的512 B時，數(shù)據(jù)補(bǔ)0，但數(shù)組結(jié)尾為0xAA。

采用CY7C68013設(shè)計的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，經(jīng)過測試，達(dá)到了設(shè)計要求，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸，為下一步開展數(shù)據(jù)編碼/譯碼、調(diào)制/解調(diào)研究打下了良好的基礎(chǔ)。

[1]www.cypress.com.EZ-USB FX2 Technical Reference Manual.

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[8]王躍鋼,韓心中.基于WDM模式的USB設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)[J].微計算機(jī)信息(管控一體化)，2006，22(8-3):305-307.