引 言USB(Universal Serial Bus)是一種通用串行總線，主要用于PC與外圍USB設備的互聯(lián)。近年來，USB接口以其快速、即插即用、使用安裝方便等優(yōu)點逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢。目前，國內外采用USBl．1和USB2.0兩種規(guī)范。USBl．1主要用于低速傳輸要求的場合，支持1．5Mb／s和12Mb／s兩種傳輸速率；而USB2.0規(guī)范則提供高達480Mb／s的傳輸速率。盡管如此，在某些對數(shù)據(jù)傳輸速度要求很高的系統(tǒng)中，外圍設備與USB接口之間在速度上仍存在著不可忽視的傳輸瓶頸。Cypress公司生產(chǎn)的USB2.0控制器CY7C68013提供了一種獨特的接口方式，即通用可編程接口(GPIF)方式。它與傳統(tǒng)接口方式的主要區(qū)別有兩點：①在數(shù)據(jù)傳輸過程中不需要CPU干涉，使得傳輸速率明顯提高，從而可以充分利用USB2.0的傳輸帶寬；②由軟件設置讀／寫控制，其控制方式類似于狀態(tài)機，提高了傳輸穩(wěn)定性。因此，本文介紹的基于USB2.0控制器CY7C68013的GPIF接口設計，就是充分利用了該芯片這一獨特的數(shù)據(jù)傳輸接口方式，有效地解決了在傳統(tǒng)接口方式下USB2.0設備數(shù)據(jù)傳輸速度的局限性，大大提高了數(shù)據(jù)的傳輸速率。1 CY7C68013簡介CY7C68013是Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片。EZ-USB FX2是一款集成USB2.0收發(fā)器的微控制器，內部結構如圖l所示。該系列芯片集成了USB2.0收發(fā)器、串行接口引擎(SIE)、帶8．5KB片上RAM的增強型高速8051單片機、4KB FIFO存儲器以及通用可編程接口等模塊．提供了全面集成的USB解決方案，無需外加芯片即可實現(xiàn)高速USB傳輸。FX2系列芯片最主要的特點是可以通過USB2.0的通用可編程接口為特定的應用接口編程。另外，CY7C68013的GPIF引擎具有自動傳輸數(shù)據(jù)結構的特性，這種特性使得以主／從端點FIFO(B/16位數(shù)據(jù)總線)為ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA、DSP等的外圍設備，可以與主機通過CY7C68013無縫、高速地傳輸數(shù)據(jù)。另外，CY7C68013內部集成的USB2.0的SIF能完成大部分USB2.0協(xié)議的處理工作，從而減少了用戶對繁雜的USB協(xié)議的處理。2 硬件設計及原理在GPIF接口方式設計中，GPIF作為CY7C68013的端點FIFO的內部控制器，在這種方式下，CPU不會干涉數(shù)據(jù)的傳輸。CY7C68013的GPIF接口方式如圖2所示。CY7C68013專門為GPIF提供了接口信號(包括16位數(shù)據(jù)線、輸出控制信號CTL、輸入控制信號RDY以及地址線ADR)，這些信號負責完成USB接口芯片與外圍設備或器件(如FPGA、DSP等)的數(shù)據(jù)讀／寫控制和傳輸。以下為GPIF方式下的主要端口功能。FDO～FDl5(輸入／輸出)：USB主機通過CY7C68013與外部設備進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)線，可以用8位或16位數(shù)據(jù)線。 CTLO～CTL5(輸出)：CY7C68013對外部設備進行控制的信號線。 RDY0～RDY5(輸入)：CY7C68013對外部設備的狀態(tài)進行檢測的信號線。 SDA(雙向)、SCL(輸出)：E2PROM的數(shù)據(jù)及時鐘信號線。 ADR0～ADR8(輸出)；GPIF為外部設備提供的地址線。在本設計中，除了重點利用通用可編程接口來實現(xiàn)無縫、高速的傳輸數(shù)據(jù)外，還采用了EZ-USBFX2提供的一種獨特架構，即“量子FIFO(Quantum FIFO)”處理架構。它能較好地解決帶寬問題，圖3為其數(shù)據(jù)傳輸示意圖。當USB執(zhí)行OUT時，EP2端點被設置為512字節(jié)四重FIFO(在USB端和外部接口端，都不知道有四重FIFO)，圖4為其數(shù)據(jù)傳輸原理圖。在USB端看來，只要有1個FIFO為“半滿”，那么就可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。當前操作的FIFO寫“滿”時，F(xiàn)X2自動將其轉換到外部接口端，排除等候讀取；并將USB接口隊列中下一個為“空”的FIFO轉移到USB接口上，供其繼續(xù)寫數(shù)據(jù)。同時，在外部接口端看來，只要有1個FIFO為“半滿”，就可以繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。當前操作的FIFO讀“空”時，F(xiàn)X2自動將其轉換到USB接口端，排除等候寫入；并將外部接口隊列中下一個為“滿”的FIFO轉移到外部接口上，供其繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。3 軟件設計及實現(xiàn)本設計的軟件設計包括：固件程序、驅動程序和應用程序設計。其中，固件程序是整個程序設計的核心，它在設備CPU中運行。GPIF就是在固件中實現(xiàn)的，因此，只有在該程序運行時，外設才能稱之為具有給定功能的外部設備。3．1 固件設計在GPIF高速數(shù)據(jù)傳輸中，GPIF波形的描述符決定了整個數(shù)據(jù)傳輸過程的時序。GPIF波形描述符通常用Cypress公司的GPIF工具(GPIFTOOL)進行配置。它是一個可運行于Windows平臺的應用程序，與FX2的開發(fā)包一起發(fā)布的。在GPIF方式下，所有的讀／寫及控制邏輯通過CY7C68013的GPIF以軟件編程的方式實現(xiàn)，且控制邏輯的變換方便靈活(只需要改變接口的一個配置寄存器的值)。FX2由4個GPIF波形描述符控制各個狀態(tài)，它們分別是GPIF Waveform O(FIFORd)、GPIF Waveform1(FIFOWr)、GPIF Waveform 2(SnglRd)和GPIF Wave-form 3(SnglWr)。這些波形描述符可以動態(tài)地配置給任何一個端點FIFO。FX2的固件程序可以把這些描述符配置給4個FIFO中的任意一個；配置后，GPIF將依據(jù)波形描述符產(chǎn)生相應的控制邏輯和握手信號給外界接口，以滿足向FIFO讀／寫數(shù)據(jù)的需要。每個波形描述符包含了7個有效狀態(tài)(S0～S6)和1個空閑狀態(tài)。在每個有效狀態(tài)對應的時間段里，經(jīng)過預先設置，GPIF可以完成以下幾項工作：驅動(使高或低)或浮接CTL輸出，采樣或驅動FIFO的數(shù)據(jù)總線，增加GPIF地址總線的值和指向當前FIFO指針的值，以及啟動GPIFWF(GPIF波形)中斷。除此之外，在每個狀態(tài)下，GPIF還可以對幾個信號(如RDY輸入端、FIFO狀態(tài)標志位、內部RDY標志位和傳輸計數(shù)終止標志位)中的任意兩個進行采樣，把其中兩個信號相“與”、相“或”或者相“異或”，并根據(jù)結果跳轉到其他任意一個狀態(tài)或延遲1～256個時鐘周期，當然也可以根據(jù)輸入端的信號進行跳轉或延遲。FIFO讀波形配置(FIFORd)如圖5所示。在狀態(tài)0時，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)為有效(activate)，GPIF把數(shù)據(jù)讀到FIFO中。在狀態(tài)1時，GPIF產(chǎn)生一個正脈沖信號RDCLK(CTL0)給外圍設備，表示已經(jīng)讀取了一個數(shù)據(jù)，同時判斷數(shù)據(jù)是否傳輸結束。如果還沒有，則不斷循環(huán)狀態(tài)O和狀態(tài)l，直到讀完所有數(shù)據(jù)為止；讀完所有數(shù)據(jù)后，不再經(jīng)過中間其他任何狀態(tài)，就直接跳到狀態(tài)7(Idle)，表示完成本次數(shù)據(jù)傳輸。從圖5中町以看出，在兩個時鐘周期內完成了一個數(shù)據(jù)(8位或16位)的讀取，如果數(shù)據(jù)為雙字節(jié)寬，那么傳輸速率可達48 Mb／s，從而充分利用了USB2．0的傳輸帶寬，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省?.2 驅動程序設計USB系統(tǒng)驅動程序由3部分組成：USB設備驅動程序、USB總線驅動程序和USB主控制器驅動程序。其中，Windows操作系統(tǒng)已經(jīng)提供了處于驅動程序棧底的USB總線驅動程序和USB主控制器驅動程序；而USB設備驅動程序由設備開發(fā)者編寫，通過向USB總線驅動程序發(fā)送包含URB(USB Request Block)的IRP(I／O RequestPaeket)，以實現(xiàn)USB外設之間的信息交換。開發(fā)USB設備驅動程序，可采用Numega公司的開發(fā)包Driver Works和Mierosoft公司的2000DDK，并以VC++6．O作為輔助開發(fā)環(huán)境來完成。在Cypress公司的EZ-USBFX2開發(fā)包中，提供了完整的CY7C68013驅動程序源代碼、控制面板程序及固件的框架，可以大大加快用戶開發(fā)的進度。用戶只需對所帶驅動程序稍加修改甚至無需任何修改，再經(jīng)DDK編譯后使用，軟件開發(fā)者大量的時間主要集中在應用程序和固件的開發(fā)上。本設計所用的USB設備驅動程序就是對FX2開發(fā)包所帶的驅動程序做了一些修改，主要是修改了DeviceIoControl例程，增加了控制數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)、啟動和停止AD、復位FIFO等。3．3 應用程序設計用戶程序是USB系統(tǒng)與用戶的接口，其關鍵是實現(xiàn)從USB外設讀取或發(fā)送USB設備請求、命令和特定量的數(shù)據(jù)等，并對數(shù)據(jù)進行一系列處理(如存儲、顯示等)。在編寫用戶程序時，首先要建立與外設的連接，然后才能實施數(shù)據(jù)的傳輸。本設計使用的是C++Builder6編譯環(huán)境，在C++Builder6環(huán)境下通過API函數(shù)去調用USB驅動。基本步驟為：首先打開設備的句柄；然后進行讀／寫和控制操作；最后關閉設備句柄。程序中主要用到的兩個API函數(shù)CreatFile()和DeviceloControl()就是通過該句柄實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹＝Y語本文詳細介紹了基于USB2.0控制器CY7C68013的GFIF接口軟硬件設計方案。該設計充分利用了CY7C68013芯片的通用可編程接口特性，很大程度上解決了USB2.0設備存在的傳輸瓶頸問題，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速率。同時，由于利用了芯片的呵編程特性，因此在具備了普通USB接口方式的諸多優(yōu)點之外，還簡化了外部硬件設計，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，有利于PCB板的制作和調試。(mbbeetchina)