基于TMS320C6713控制的USB数据存储系统设计

1 引言 
    全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)的反射信号(GPS—R)接收机根据海面的反射信号，结合电波对海面、海浪的散射理论，可获得海面平均高度、浪高、海面风力等信息，还可监测和分析高纬地区的冰层厚度、海洋盐度等参数，因此，GPS-R是近十多年来迅速发展的一种空基海洋遥感技术，具有广泛的应用前景。在设计GPS-R接收机时，为了减少重量．在机载和星载条件下不允许有显示设备，而高纬地区一20℃的温度会使液晶显示器失效，这些都要求将采集、压缩后的数据存储到U盘或硬盘中，并带回基站进一步处理。
    Texas Instruments(简称TI)公司的DSP具有高速运算性能，在数据采集与处理、工业控制和语音、图像通信等领域有着广泛的应用。通用串行总线(Universal Serial Bus，简称USB)是一种新型接口技术，具有设备自动识别功能，可自动安装驱动程序和配置，可支持不同速率的同步和异步传输方式，且接口体积小巧，可支持热插拔和即插即用等优点，因而得到广泛应用。由USB规范可以看到，在USB的拓朴中居于核心地位的是计算机主机，每一次的数据传输都必须由主机控制。但是，随着DSP应用领域的日益发展，USB外设的应用范围也随之扩大，因此迫切需要实现DSP对USB的外设控制。为此介绍了TMS320C6713的基本特点及USB嵌入式主控制器SL811HS的基本结构和性能，给出USB存储系统的硬件连接图和软件设计方案。利用TMS320C6713的外设资源，系统实现与SL8lHS的连接，而且系统稳定性高。

2 硬件设计
2．1 主要器件介绍
    TMS320C6000系列是TI公司推出的运算能力最强的处理器，它采用了VLIW的体系结构及流水线技术，具有两级cache缓存结构，而且运行速度快，精度高。TMS320C6713是该系列的32位浮点DSP，其最高工作主频可达300 MHz，处理速度高达2 400 MI／s，片上共有264 KBx8位存储器，其中含有4 KBx8位L1Pcache,4：KBx8位L1Dcache和256 KBx8位L2RAM／cache：片上外设资源丰富，其中含有两个McBSP、两个McASP、两组：I2C总线、一组GPIO、两个32位通用定时器、一个16位主机接口HPI。此外，TMS320C6713还有32位的EMIF总线，分为4个存储空间(CE0～CE3)，每个存储空间的寻址范围为256 M字节，可访问8位、16位或32位数据宽度，每个空间均可与SDRAM，SBSRAM及异步外设实现无缝接口。
    设计中，采用EMIF总线控制SL811HS。该器件是Cypress公司推出的遵循USBl．1规范的具有主／从两种工作模式的USB控制器，支持微处理器、微控制器或DSP的USB接口设计，可按DSP的要求自动将数据整合为USB协议数据包传输的数据。其特点是：①基于内部集成的全／低速传输引擎(SIE)所产生的USB串行接口功能，可自动检测总线速率．支持全速12 Mb／s和低速1．5 Mb／s设备；②具有8位双向数据总线，能较为简单地与DSP连接。片内256字节的SRAM用于数据传输和支持乒乓操作，其中16字节用于工作寄存器；③自动产生SOF和CRC5／16，简化软件工作量；④在完成传输事务或有外部设备接入时中断寄存器触发中断，通过写入中断寄存器可清除中断；⑤为提高电路的稳定性，时钟发生器外接48 MHz晶体振荡器，其工作电源为3.3 V，接口可承受5 V的工作电压，并可与多种器件相连。
    图1给出SL811HS的原理框图。与目前的ARM+内嵌USB、FPGA+操作系统+内嵌USB接口相比，因它是由DSP控制的嵌入式主控制器，可以快速存储数据，能最大限度地利用DSP的外设资源，适合非PC设备的应用。

2．2 系统硬件接口设计
    设计中使用TMS320C6713控制SL811HS存储数据。图2给出其总体硬件框图。其中，电源部分可产生3．3 V和5 V电压：数据采集部分采集数据，然后将数据送至TMS320C6713进行相应的算法处理。Flash ROM器件采用SST39IF800A，将初始化、算法和控制程序烧写到ROM内，上电后即可初始化CSL和各寄存器。采用HY57V641620HGT一7作为SDRAM，用于暂存经过处理压缩后的数据。

    图3给出SL811HS与TMS320C6713的硬件连接原理图。使用EMIF总线中第2个存储空间CEl，其数据总线低8位EDO～ED7与DO~D7相连；EA2与A0相连；读写信号、复位信号及中断信号与TMS320C6713相应的信号位相连，其中SL81lHS外接48 MHz晶体振荡器。

[!--empirenews.page--]

    图4给出TMS320C6713存储空间分配表。由图4可知，存储空间CEl的地址范围是0x90000000~0xA0000000，因此可设定TMS320C6713地址总线经CPLD相关编码后SL811HS的片选地址是0x90080006，HOST USB数据寄存器的存储空间为0x90080006。地址寄存器为0x90080007。

3 软件设计
    软件设计含有初始化和驱动两部分程序。前者用于完成芯片支持库(Chip Support Library，简称CSL)提供的标准方法．以访问和控制片上外设设备的初始化、软件变量的初始化及使能中断(总中断、NMI中断)等。TMS320C6713控制SL811HS对U盘操作的软件设计分为：①针对SL811HS编写USB主机控制器驱动程序；②系统调用驱动程序，以完成U盘数据读写的应用程序。
3．1 USB设备的配置
    在设备检测阶段，SL8llHS通过读取中断状态寄存器判断中断类型。当中断类型为检测到设备插入时(U盘插入USB插座会产生中断)，配置USB设备即U盘。同时还需使能SL811HS的1 ms SOF，以便进行数据帧的同步。此时，可通过setup结构的数据包(8字节)向USB设备的控制端点O(默认控制端点和默认地址)发送命令。
    当采用setup数据包配置U盘时，需将U盘的地址写入SL811HS的寄存器4；将数据包的类型和U盘的控制端点写入SL811HS的寄存器3。U盘配置过程的主要流程如图5所示。在U盘的配置过程完成后，主机与USB设备之间的通信必须使用设置的地址。默认地址0不再有效，传输端点则为读取配置描述符中所定义的端点号。

3．2 传输流程设计
    在与U盘之间传输大量数据时，需要利用描述符提供的In，OUt端点传送数据，并遵循Bulk—Only传输协议．其传输过程一般分为3个阶段。
    根据USB的协议规范，所有的传输都需由DSP启动．即TMS320C6713首先向设备的OUT端点发送一命令(CBW数据包)，请求传输，在数据包中设定下一步的数据传输方向。若为设备到TMS320C6713，则当CBW发送成功后，从设备的IN端点读取CBW中规定长度的数据；若为TMS320C6713到设备，则当CBW发送成功后，向设备的0UT端点发送CBW中规定长度的数据。
    当TMS320C6713与设备之间的数据传输完毕后，TMS320C6713还需从设备的IN端点读取传送状态，然后TMS320C6713根据接收的握手包(ACK，NAK，STALL等)即可判断通信是否正常。若返回的结果有错误，还需进行相应的出错处理。
    U盘数据结构包括DBR(系统引导记录)、FAT表、文件目录表(FDT)。当写一新文件时，需在FAT表中查找未使用的簇，并将该簇号写入文件所对应目录数据结构中的起始簇号位置。当该文件长度大于一簇时，还需在FAT表中对应的起始簇号位置填入下一可用簇的簇号，直到文件的最后一簇(FAT表中的相应位置填FFFF)为止。若磁盘有备份FAT，还需在备份FAT表的相应位置填入正确的内容。
    使用U盘的Bulk端点进行数据传输，Bulk传输分为Bulk-In(TMS320C6713向外围设备请求数据)和Bulk-Out(TMS320C6713向外围设备发送数据)。先发送令牌包(CBW包)，再发送数据包，若发送或接收正确，则返回握手包．一次事务传送成功。在事务传送过程中，DATAO和DATAl是交替使用的。图6给出一般传输流程。

3．3 系统速度分析
    块传输适合传输大量且对传输时间和传输速率均无要求的数据。当USB总线带宽紧张时，它会为其他传输类型让出所占用的帧／小帧时间，而其本身将被延迟，这时传输速率很低，占用的传输时间也很长；当USB总线空闲时，它能以很快的速度传输，其传输时间也很短。所以块传输可发送大量的数据而不会堵塞USB总线，但其传输时间和传输速率却得不到保证。另外，影响传输速度的因素很多，如指令读取时间、执行时间，主机响应时间及数据传输时间等，但因采用了功能强大的DSP，其频率配置为200 MHz。因此，能大大提高指令读取执行和主机的相应时间。对存储速度进行了仿真测试，其结果表明基本达到了设计要求。

4 结语
    使用USB主机接口控制器SL811HS实现了对U盘的读写，大大降低了系统硬件设计的复杂度和系统调试的难度。同时提高了系统的集成度和稳定性，减小了系统的体积和功耗。若采用诸如FIFO类提高传输速度的措施．可为数据采集系统存储大容量数据提供一种通用、方便和可靠的解决方案。若采用支持USB2．0协议的器件，可大大提高传输速度．为数据分析提供有利手段。在野外采集数据时。该技术能尽量存储所需的信息，因此它的应用前景十分看好。