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USB 2.0微控制器CY7C68013的GPIF接口设计
 
文章編號:
100809212425
文章分類: 接口技術 USB
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关 键 词: CY7C68013,GPIF
文章來源:
作者:龙玲 许海清
摘 要:
Cypress公司生産的USB2.0控制器CY7C68013提供了一種獨特的接口方式,即通用可編程接口(GPIF)方式。它與傳統接口方式的主要區別有兩點...


    本文详细介绍了基于USB2.0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,由于利用了芯片的可编程特性,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USB2.0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。

    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在數據傳輸過程中不需要CPU幹涉,使得傳輸速率明顯提高,從而可以充分利用USB2.0的傳輸帶寬;
②由軟件設置讀/寫控制,其控制方式類似于狀態機,提高了傳輸穩定性。
    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1所示。该系列芯片集成了USB2.0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拈.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(8/16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USB2.0的SIF能完成大部分USB2.0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(輸入/輸出):USB主機通過CY7C68013與外部設備進行數據傳輸的數據線,可以用8位或16位數據線。
  • CTLO~CTL5(輸出):CY7C68013對外部設備進行控制的信號線。
  • RDY0~RDY5(輸入):CY7C68013對外部設備的狀態進行檢測的信號線。
  • SDA(雙向)、SCL(輸出):E2PROM的數據及時鍾信號線。
  • ADR0~ADR8(輸出);GPIF爲外部設備提供的地址線。

    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 0(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0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中可以看出,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++6.0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。

 
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