高速USB接口设计

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1 引言    传统的通信方式传输速度慢、抗干扰能力弱、安装麻烦等原因严重阻碍了数据采集设备的发展，随着电子信息技术的迅猛发展。计算机和外围设备得到飞速发展和应用。新一代通用串行总线，简称USb。具有传输线少、速度快、支持热插拔以及易于扩展等优点，很好解决了以上问题，因此串行总线技术在计算机系统及通信设备中得到广泛的应用，为了满足数据采集传输速度的要求．所以提出了高速USb接口的设计与实施。    系统硬件实现数据采集功能，并将采集的数据送至USb控制器，再通过USb接口将数据传送给PC机。硬件设计主要包括USb2．O主控制器(CY7C68013)外围电路设计、CY7C68013与FPGA连接等。系统软件包括USb固件程序、设备的驱动程序和用户界面程序。USb固件程序在keilC中完成，实现对CY7C68013初始化，设备驱动程序为用户界面程序提供软件和硬件平台连接的通道，由DriverStudiO开发；用户界面程序采用Vb语言完成，在Vb中调用驱动函数中的句柄对硬件设备进行操作，实现数据的接收、保存、显示和打印功能。2 USb控制器件CY7C68013内部结构    CY7C68013是Cypres公司生产EZ—USb FX2系列的一种。其内部结构如图1所示。EZ-USb FX2系列的典型应用是无线局域网、移动硬盘、DSL调制解调器等接口类设备。为满足不同用户的需要，Cypress公司为FX2提供了4种封装形式：128引脚TQFP；100引脚QFN；56引脚QFN；56引脚SSOP。这些同种类不同封装的其内部结构相同，不同的封装形式引出的外部引脚数量有所不同。EZ—USb FX2拥有独特的结构，其串行接口引擎(SIE)负责完成诸如数据的编解码、差错控制、位填充等与USb协议有关的功能，将嵌入式MCU(增强型8051)解放出来，简化固件代码的开发。FX2中还包含一个通用可编程接口(GPIF)，它支持所有通用的总线标准，并可与外部ASIC、DSP等直接相连，对于EZ—USb FX系列需要微处理器(增强型8051)参与端点FIFO与外围电路之间的数据传输，由于增强型8051本身的工作频率较低，限制了传输速率的进一步提高。虽然这种限制在12Mb／s的全速模式下并不明显，但当速率提升至480 Mb／s的高速模式时，微处理器必将成为整个系统的带宽瓶颈。为此，在EZ—USbFX2中，USb接口和外围电路直接共享FIFO存储器。增强型8051可不参与数据传输，但通过FIFO或RAM的方式访问所传输的数据，这些FIF0与USb之间的传输以数据包的形式实现，此处理被称为“量子FIF0”，它很好的解决了USb高速传输模式下的带宽问题。

    EZ-USbFX2和FPGA之间的通信模式既可选择从属FIFO接口模式，也可选择GPIF接口模式。通过配置IF—CONFIG[l：0]来选择。当为11时，选择从属FIFO接口模式；当为10时，选择GPIF接口模式。    当EZ—USbFX2被设置为SlaveFIFO接口模式时，USb数据在PC机和FPGA中传输，不需EZ-USbFX2的CPU参与，而经EZ-USbFX2的内部端点FIFO传输。对FPGA端点FIFO提供了FPGA经16位数据总线FD连接EZ—USbFX2 FIFO，其数据总线是双向，通过SLOE引脚控制输出。FIFOADR[1：O]引脚选择4个FIFO中的一个与FD总线连接。异步方式下，SLRD和SLWR是读／写选通信号。同步方式下，SLRD和SLWER作为IFCLIK时钟引脚使能信号。这里采用异步方式。4 USb固件程序的设计    为了简化固件编程，Cypress提供了固件编程框架，在此基础上只需要修改少量代码即完成固件编程。固件编程框架完成了USb标准设备请求和USb电源管理，并提供了任务调度函数，在任务调度函数中编写少量代码就可完成编程。只需要提供USb设备描述符表和外围操作程序就可实现一个功能完整的USb设备。4．1 函数介绍    Void TD_Init(void)：此函数主要完成EZ-USbFX2的初始化，在EZ—USbFX2再次枚举和开始任务分配前被调用，其目的是初始化各个端口以及各端口的先入先出缓冲区。
                          
                       
                          
                                    Void TD_PoLL(void)：此函数在设备运行时被重复的调用，应包括完成特别任务的代码。在该函数返回前，优先级高的任务可能己完成。若它返回值为假，EZ—USbFX2将不会影响设备请求和USb总线设备挂起事件。若需要大量的处理时间，EZ-USbFX2会通过多次调用TD_PoLL函数将时间分段。    booL TD_suspend(void)：此函数是在设备进入挂起状态前调用，在其中加入适当的代码，配置设备的工作状态，可使设备处于低功耗状态并返回真值。可以改动TD_Suspend的程序代码，使其返回为假，可使EZ-USbFX2不进入挂起状态。    Void TD_Resume (void)：当外部要求重新启动时，设备会通过调用此函数对处理器重启，即TD_SUspendO函数的逆操作。此时，设备在正常电源下重新启动。设备请求函数主要完成对来自主机的命令和请求的处理工作。4．2 固件主程序    fw．c是固件程序的主程序文件，负责处理主机发出的各种USb设备请求。该程序首先初始化所有的内部状态变量，然后调用TD_InitO函数初始化，并打开中断。然后，固件程序开始列举USb设备，直至在端点0上接收到SETUP包为止。一旦接受到令牌包，框架将开始交互的任务调度。    整个系统实现过程中，设置一些重要寄存器。表1列出EZ—USbFX2为异步从属FIFO自动模式时，需要配置的相关寄存器。

5 FPGA程序的设计    编程思路：由于CY7C68013设置为异步SlaveFIFO模式，根据异步FIFO读写状态图，选择状态机来编写进程。其状态图如图3所示。

6 结语    以CY7C68013和FPGA接口为例描述了USb芯片的SlaveFIFO固件程序流程和设计思想，并且在项目中得到了实际应用，并且数据连续传输无误码，无丢失。