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)負責處理標準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標志
        }
        if (Sleep)
        {
            Sleep=FALSE,；//清除sleep標志
            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[6，7]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)[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,。本系統(tǒng)通過VB6.0開發(fā)了上位機應(yīng)用程序,，運行界面如圖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),。
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