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

   摘  要： 采用Cypress公司的CY7C68013芯片設(shè)計了通用的USB接口，結(jié)合MAX7128的串/并/串轉(zhuǎn)換和光纖收發(fā)系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。介紹了系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)， 詳細介紹了固件設(shè)計和WDM驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)、特性、工作機制、軟件流程及與USB設(shè)備通信的方法。測試表明，該系統(tǒng)達到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)和實用要求。

　　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(MCU)或純粹的USB接口芯片。帶USB接口的單片機可分為2類：一類是從底層設(shè)計專用于USB控制的單片機，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，如微機主板等[2-4]；另一類是增加了USB接口的普通單片機，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，主機將數(shù)據(jù)發(fā)送到CY7C68013端點FIFO緩沖器中，然后CY7C68013將端點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，進入激光接收模塊，輸出串行信號，通過MAX7128實現(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芯片固件程序負責(zé)處理主（從）機發(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。其固件運行的主程序清單如下，負責(zé)處理主機發(fā)出的各種USB請求。

　　……

　　TD_Init()；//初始化用戶設(shè)備

　　EZUSB_IRQ_ENABLE()；//使能USB中斷（INT2)

　　EZUSB_ENABLE_RSMIRQ()；//使能喚醒中斷

　　INTSETUP |=(bmAV2EN | bmAV4EN)；//使能INT2

　　//和INT4中斷跳轉(zhuǎn)向量

　　USBIE |=bmSUDAV | bmSUTOK | bmSUSP | bmURES |

　　bmHSGRANT；//使能所選擇的中斷

　　EA=1；//打開8051中斷

　　UsbDisconnect()；

　　CKCON=(CKCON&(~bmSTRETCH)) | FW_STRETCH_

　　VALUE；//設(shè)為0值

　　Sleep=FALSE；//清除sleep標(biāo)志

　　while(TRUE)//主循環(huán)

　　{

　　if(GotSUD)//等待SETUP令牌數(shù)據(jù)的到來

　　{

　　ParseControlTransfer()；//處理SETUP令牌數(shù)據(jù)

　　GotSUD=FALSE；//清除SUDAV標(biāo)志

　　}

　　if (Sleep)

　　{

　　Sleep=FALSE；//清除sleep標(biāo)志

　　do

　　{

　　EZUSB_Susp()；//置8051為空閑

　　}

　　while(!Rwuen&&EZUSB_EXTWAKEUP())；

　　EZUSB_Resume()；//從空閑狀態(tài)恢復(fù)

　　}

　　TD_Poll()；//完成用戶任務(wù)

　　}

　　……

　　需要強調(diào)的是：固件程序設(shè)計完成后需要進行調(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。當(dāng)IN端點的數(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的通信數(shù)據(jù)進行分析，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)動程序以使上位機程序能正常訪問USB芯片。以Cypress公司提供的參考程序為基礎(chǔ)，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，負責(zé)與實際的硬件打交道，因此，重點是開發(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，上位機和CY7-

　　C68013進行通訊的部分，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能。這2個部分都存放在上位機上，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

　　上位機是人機交互的平臺，需要良好的操作界面。

　　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，達到了設(shè)計要求，實現(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)。