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(duì)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(jì)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(gè)增強(qiáng)型8051處理器內(nèi)核、一個(gè)串行接口引擎（SIE）,、一個(gè)USB收發(fā)器,、8.5 KB片上RAM和4 KB FIFO存儲(chǔ)器以及一個(gè)通用可編程接口(GPIF),。8051可工作在48 MHz/24 MHz/12 MHz時(shí)鐘頻率，內(nèi)部可自動(dòng)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(duì)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(hào),，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(hào),，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(shí)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(gè)層次,，接口硬件、接口軟件,、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序如圖1(b)所示,。
2 固件程序設(shè)計(jì)
    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(qǐng)求。在發(fā)送端,，固件將數(shù)據(jù)放置到I/O口上供MAX7128讀?。辉诮邮斩?，MAX7128完成串并轉(zhuǎn)換后,，將數(shù)據(jù)用特定時(shí)序?qū)懭隒Y7C68013。此時(shí)只需設(shè)定寄存器,，固件程序相對(duì)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(qǐng)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(gè)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(qǐng)求和自定義請(qǐng)求,，控制整個(gè)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(qǐng)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(qiáng)調(diào)的是：固件程序設(shè)計(jì)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(shí)鐘頻率的確定：晶振兩引腳對(duì)地電壓均為1.6 V左右,，此時(shí)CLKOUT引腳默認(rèn)輸出為24 MHz,，當(dāng)輸出48 MHz時(shí)，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(dòng)程序設(shè)計(jì)
    為了配合CY7C68013的工作,，需要有驅(qū)動(dòng)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?yàn)榛A(chǔ)[1],，增加自定義控制請(qǐng)求即可。
    由于驅(qū)動(dòng)程序必須和系統(tǒng)的總線驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通信,，系統(tǒng)總線驅(qū)動(dòng)為WDM(Win32 Driver Model)驅(qū)動(dòng),。因此，USB驅(qū)動(dòng)程序采用WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[8],。由于USB總線驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序（USB Device Driver）,。USB設(shè)備的WDM驅(qū)動(dòng)程序是通過創(chuàng)建URB(USB請(qǐng)求塊)，并向USB總線驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送包含URB的IRP來實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備信息的發(fā)送和接收。此外,，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序除負(fù)責(zé)處理應(yīng)用程序的I/O請(qǐng)求外,，還要處理PnP請(qǐng)求。
    CY7C68013的驅(qū)動(dòng)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(gè)部分都存放在上位機(jī)上，當(dāng)系統(tǒng)上電或USB連接時(shí),，固件部分將自動(dòng)下載到芯片的RAM中供8051執(zhí)行,。
4 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)
    上位機(jī)是人機(jī)交互的平臺(tái)，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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的平臺(tái),，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(cè)試的方便,，增加了誤碼率和速率測(cè)試模塊,，以測(cè)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(cè)試；(4)誤碼率測(cè)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(duì)整個(gè)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(gè)時(shí)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(cè)試的發(fā)送，Timer2,、timer6和timer8分別完成文件,、誤碼率及速率測(cè)試的接收。另外定義了一個(gè)時(shí)間控件來控制開啟哪一個(gè)接收數(shù)據(jù)時(shí)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(cè)試還是誤碼率測(cè)試數(shù)據(jù),，在timer1、timer3和timer4發(fā)送前都先發(fā)送一個(gè)512 B的前導(dǎo)包,。全為1時(shí)表示下一個(gè)數(shù)據(jù)包包含著速率測(cè)試數(shù)據(jù),，全為2時(shí)表示下一個(gè)數(shù)據(jù)包包含著誤碼率測(cè)試數(shù)據(jù)，全為3時(shí)表示下一個(gè)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(gè)接收時(shí)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(gè)二維數(shù)組：行512 B,，列由文件大小決定,。數(shù)組的第一個(gè)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(gè)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(shí),，數(shù)據(jù)補(bǔ)0，但數(shù)組結(jié)尾為0xAA,。
    采用CY7C68013設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),，經(jīng)過測(cè)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)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),。
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