USB2．0微控制器CY7C68013的GPIF接口设计
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关键词 USB CY7C68013 GPIF
引 言
USB(Universal Serial Bus)是一种通用串行总线，主要用于PC与外围USB设备的互联。近年来，USB接口以其快速、即插即用、使用安装方便等优点逐渐成为现代数据传输的发展趋势。目前，国内外采用USBl．1和USB2．O两种规范。USBl．1主要用于低速传输要求的场合，支持1．5Mb／s和12Mb／s两种传输速率；而USB2．O规范则提供高达480Mb／s的传输速率。尽管如此，在某些对数据传输速度要求很高的系统中，外围设备与USB接口之间在速度上仍存在着不可忽视的传输瓶颈。
Cypress公司生产的USB2．0控制器CY7C68013提供了一种独特的接口方式，即通用可编程接口(GPIF)方式。它与传统接口方式的主要区别有两点：①在数据传输过程中不需要CPU干涉，使得传输速率明显提高，从而可以充分利用USB2．0的传输带宽；②由软件设置读／写控制，其控制方式类似于状态机，提高了传输稳定性。因此，本文介绍的基于USB2．0控制器CY7C68013的GPIF接口设计，就是充分利用了该芯片这一独特的数据传输接口方式，有效地解决了在传统接口方式下USB2．0设备数据传输速度的局限性，大大提高了数据的传输速率。
1 CY7C68013简介
CY7C68013是Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片。EZ-USB FX2是一款集成USB2．0收发器的微控制器，内部结构如图l所示。该系列芯片集成了USB2．O收发器、串行接口引擎(SIE)、带8．5KB片上RAM的增强型高速8051单片机、4KB FIFO存储器以及通用可编程接口等模块．提供了全面集成的USB解决方案，无需外加芯片即可实现高速USB传输。FX2系列芯片最主要的特点是可以通过USB2．0的通用可编程接口为特定的应用接口编程。另外，CY7C68013的GPIF引擎具有自动传输数据结构的特性，这种特性使得以主／从端点FIFO(B/16位数据总线)为ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA、DSP等的外围设备，可以与主机通过CY7C68013无缝、高速地传输数据。另外，CY7C68013内部集成的USB2．O的SIF能完成大部分USB2．O协议的处理工作，从而减少了用户对繁杂的USB协议的处理。
2 硬件设计及原理
在GPIF接口方式设计中，GPIF作为CY7C68013的端点FIFO的内部控制器，在这种方式下，CPU不会干涉数据的传输。CY7C68013的GPIF接口方式如图2所示。
CY7C68013专门为GPIF提供了接口信号(包括16位数据线、输出控制信号CTL、输入控制信号RDY以及地址线ADR)，这些信号负责完成USB接口芯片与外围设备或器件(如FPGA、DSP等)的数据读／写控制和传输。以下为GPIF方式下的主要端口功能。
FDO～FDl5(输入／输出)：USB主机通过CY7C68013与外部设备进行数据传输的数据线，可以用8位或16位数据线。
CTLO～CTL5(输出)：CY7C68013对外部设备进行控制的信号线。
RDY0～RDY5(输入)：CY7C68013对外部设备的状态进行检测的信号线。
SDA(双向)、SCL(输出)：E2PROM的数据及时钟信号线。
ADR0～ADR8(输出)；GPIF为外部设备提供的地址线。
在本设计中，除了重点利用通用可编程接口来实现无缝、高速的传输数据外，还采用了EZ-USBFX2提供的一种独特架构，即“量子FIFO(Quantum FIFO)”处理架构。它能较好地解决带宽问题，图3为其数据传输示意图。当USB执行OUT时，EP2端点被设置为512字节四重FIFO(在USB端和外部接口端，都不知道有四重FIFO)，图4为其数据传输原理图。在USB端看来，只要有1个FIFO为“半满”，那么就可以继续发送数据。
当前操作的FIFO写“满”时，FX2自动将其转换到外部接口端，排除等候读取；并将USB接口队列中下一个为“空”的FIFO转移到USB接口上，供其继续写数据。同时，在外部接口端看来，只要有1个FIFO为“半满”，就可以继续读取数据。当前操作的FIFO读“空”时，FX2自动将其转换到USB接口端，排除等候写入；并将外部接口队列中下一个为“满”的FIFO转移到外部接口上，供其继续读取数据。
3 软件设计及实现
本设计的软件设计包括：固件程序、驱动程序和应用程序设计。其中，固件程序是整个程序设计的核心，它在设备CPU中运行。GPIF就是在固件中实现的，因此，只有在该程序运行时，外设才能称之为具有给定功能的外部设备。
3．1 固件设计
在GPIF高速数据传输中，GPIF波形的描述符决定了整个数据传输过程的时序。GPIF波形描述符通常用Cypress公司的GPIF工具(GPIFTOOL)进行配置。它是一个可运行于Windows平台的应用程序，与FX2的开发包一起发布的。在GPIF方式下，所有的读／写及控制逻辑通过CY7C68013的GPIF以软件编程的方式实现，且控制逻辑的变换方便灵活(只需要改变接口的一个配置寄存器的值)。
FX2由4个GPIF波形描述符控制各个状态，它们分别是GPIF Waveform O(FIFORd)、GPIF Waveform1(FIFOWr)、GPIF Waveform 2(SnglRd)和GPIF Wave-form 3(SnglWr)。这些波形描述符可以动态地配置给任何一个端点FIFO。FX2的固件程序可以把这些描述符配置给4个FIFO中的任意一个；配置后，GPIF将依据波形描述符产生相应的控制逻辑和握手信号给外界接口，以满足向FIFO读／写数据的需要。每个波形描述符包含了7个有效状态(S0～S6)和1个空闲状态。在每个有效状态对应的时间段里，经过预先设置，GPIF可以完成以下几项工作：驱动(使高或低)或浮接CTL输出，采样或驱动FIFO的数据总线，增加GPIF地址总线的值和指向当前FIFO指针的值，以及启动GPIFWF(GPIF波形)中断。除此之外，在每个状态下，GPIF还可以对几个信号(如RDY输入端、FIFO状态标志位、内部RDY标志位和传输计数终止标志位)中的任意两个进行采样，把其中两个信号相“与”、相“或”或者相“异或”，并根据结果跳转到其他任意一个状态或延迟1～256个时钟周期，当然也可以根据输入端的信号进行跳转或延迟。
FIFO读波形配置(FIFORd)如图5所示。在状态0时，数据总线上的数据为有效(activate)，GPIF把数据读到FIFO中。在状态1时，GPIF产生一个正脉冲信号RDCLK(CTL0)给外围设备，表示已经读取了一个数据，同时判断数据是否传输结束。如果还没有，则不断循环状态O和状态l，直到读完所有数据为止；读完所有数据后，不再经过中间其他任何状态，就直接跳到状态7(Idle)，表示完成本次数据传输。从图5中町以看出，在两个时钟周期内完成了一个数据(8位或16位)的读取，如果数据为双字节宽，那么传输速率可达48 Mb／s，从而充分利用了USB2．0的传输带宽，大大提高了数据传输的速率。
3.2 驱动程序设计
USB系统驱动程序由3部分组成：USB设备驱动程序、USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序。其中，Windows操作系统已经提供了处于驱动程序栈底的USB总线驱动程序和USB主控制器驱动程序；而USB设备驱动程序由设备开发者编写，通过向USB总线驱动程序发送包含URB(USB Request Block)的IRP(I／O RequestPaeket)，以实现USB外设之间的信息交换。
开发USB设备驱动程序，可采用Numega公司的开发包Driver Works和Mierosoft公司的2000DDK，并以VC++6．O作为辅助开发环境来完成。在Cypress公司的EZ-USBFX2开发包中，提供了完整的CY7C68013驱动程序源代码、控制面板程序及固件的框架，可以大大加快用户开发的进度。用户只需对所带驱动程序稍加修改甚至无需任何修改，再经DDK编译后使用，软件开发者大量的时间主要集中在应用程序和固件的开发上。本设计所用的USB设备驱动程序就是对FX2开发包所带的驱动程序做了一些修改，主要是修改了DeviceIoControl例程，增加了控制数据传输函数、启动和停止AD、复位FIFO等。
3．3 应用程序设计
用户程序是USB系统与用户的接口，其关键是实现从USB外设读取或发送USB设备请求、命令和特定量的数据等，并对数据进行一系列处理(如存储、显示等)。在编写用户程序时，首先要建立与外设的连接，然后才能实施数据的传输。
本设计使用的是C++Builder6编译环境，在C++Builder6环境下通过API函数去调用USB驱动。基本步骤为：首先打开设备的句柄；然后进行读／写和控制操作；最后关闭设备句柄。程序中主要用到的两个API函数CreatFile()和DeviceloControl()就是通过该句柄实现数据传输的。
结语
本文详细介绍了基于USB2．O控制器CY7C68013的GFIF接口软硬件设计方案。该设计充分利用了CY7C68013芯片的通用可编程接口特性，很大程度上解决了USB2．0设备存在的传输瓶颈问题，大大提高了数据传输速率。同时，由于利用了芯片的呵编程特性，因此在具备了普通USB接口方式的诸多优点之外，还简化了外部硬件设计，提高了系统稳定性，有利于PCB板的制作和调试。
经验证，在USB2．O的高速数据采集与处理系统中，基于USB2．0微控制器CY7C68013的GPIF接口设计是一种比较好的解决传输速度问题的方案。
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