用EZ－USB實現TMS320C6X與主機數據傳輸

1 USB控制芯片

Cypress公司的EZ－USB FX2系列芯片是最早符合USB2.0協議的微控制器之一。它集成了收發(fā)器（transceiver）、串行接口引擎（SIE），增強型的8051內核以及可編程的外圍接口（GPIF），FX2系列芯片獨特的結構使數據傳輸速度最高可達到56Mbps，最大程度地滿足了USB2.0的帶寬。

CY7C68013的結構框圖如圖1所示。

FX2的端點緩沖區(qū)分為大小兩組：EP0、EP1（IN）、EP1（OUT）是小端點，大小為64字節(jié)，只能由CPU來存取，不能由外部邏輯連接；EP2、EP4、EP6、EP8是大的可配置的端點，EP2和EP4默認為OUT端點，EP6和EP8默認為IN端點。FX2為其大端點提供多種緩沖方式，滿足了傳輸中高帶寬的要求，傳輸過程中EZ－USB FX2從IN緩沖區(qū)中讀取上傳到主機的數據，在OUT緩沖區(qū)中寫入供外部處理器讀取的數據。它具備全速（12Mbps）和高速（480Mbps）兩種傳輸速率，并具有USB協議所規(guī)定的4種傳輸模式，即控制傳輸（control mode）、中斷傳輸（interrupt mode）、塊傳輸（bulk mode）和等時傳輸（isochronous mode）。

2 系統(tǒng)硬件構架

2.1 USB與DSP的硬件連接

系統(tǒng)中選用的數字信號處理器是TI公司發(fā)布的C6000浮點系列中的TMS320C6713，其峰值處理速度能達到1350MFLOPS（百萬次浮點操作/s）。外設資源包括直接存儲器訪問控制器（DMA），外部存儲器接口（EMIF）、串行口、擴展總線或主機口、定時器等。系統(tǒng)中利用其EMIF口，連接可編程邏輯芯片CPLD來擴展USB控制接口。CY7C68013能非常靈活地實現與DSP或MCU的接口。當其作為主設備時，通用可編程接口（GPIF）具有可編程的波形描述符和配置寄存器，能夠輕易地兼容絕大多數總線標準，當其作為從設備時，4KB的大容量FIFO用于數據緩沖，簡化了接口的外部硬件設計，可采用同步或異步方式與主設備（如ASIC，DSP等）連接。

在本方案中，使其作為從設備，選用了Slave FIFOs，異步讀/寫，在這種模式下，DSP可以像讀/寫普通FIFO一樣對CY7C68013內部的多層緩沖FIFO進行讀/寫。主要信號連接如圖2所示。主機（PC）發(fā)出命令的同時也由PA3提供中斷觸發(fā)信號給DSP的外部中斷引腳6（EXT_INT6）。其上升沿被檢測到以后，DSP就進入相應中斷服務程序，開始處理USB的傳輸，DSP通過CPLD對CY7C68013進行讀寫及使能控制，“或”組合邏輯滿足嚴格的時序要求，FLAGB和FLAGC是CY7C68013內部FIFO的空、滿狀態(tài)標志，PA[0：1]表示PC發(fā)送的命令類型。這些信息在CPLD內部整合到數據總線ED[0：15]，DSP開始傳輸數據包前對其提取判斷，TMS320C6713對CY7C68013內部端點（EP）的選擇，是通過地址線TEA[2：3]來實現。

2.2 系統(tǒng)總體結構設計

根據上述硬件通信模式搭建基于PC、USB、DSP的主從式系統(tǒng)，當系統(tǒng)上電完成各模塊固件配置和硬件初始化后，可由PC發(fā)出控制命令，以外部信號觸發(fā)DSP進入相應的中斷處理程序，自動完成數據流USB下載、DSB處理和USB回傳的多次循環(huán)過程；PC顯示處理后的結果。系統(tǒng)總體結構框圖如圖3所示。

DSP芯片通過片中的EMIF（包括4個存儲空間CE[0：3]）為SDRAM，Flash等器件提供接口。SDRAM為同步存儲器件，EMIF有專門的控制線和時鐘與它進行無縫連接（CE0空間）。這里SDRAM用做數據存儲器。

對于C6000系列DSP，調試好的應用程序需要固化，以便系統(tǒng)上電時能自動加載運行。方案中采用Flash啟動引導模式，位于EMIF異步接口CE1空間。

復位電路提供系統(tǒng)上電和工作電壓異常時的自動復位及人工控制復位。時鐘電路為DSP處理模塊提供時鐘信號。

USB的接口電路提供PC與DSP的高速數據傳輸通道，接口芯片通過CPLD與外部處理器DSP相連，置于EMIF的CE2空間（通信模式如前所述）。

3 通信模塊軟件設計

Cypress公司為了簡化和加速用戶使用EZ－USB FX2芯片進行USB外設的開發(fā)過程，特別設計了CY7C68013的開發(fā)板，并帶有一個開發(fā)包，內含一個USB外設所必需的驅動程序、應用程序以及一個完整的固件程序的框架，這個框架可以執(zhí)行EZ－USB芯片的初始化，USB標準設備請求的處理和USB掛起電源管理服務；用戶只需要提供一個USB描述符表，添加其他端點接受和發(fā)送數據的通信代碼，以及控制外圍電路的程序代碼即可。

3.1 CY7C68013的固件程序規(guī)劃

固件程序框架通過幾個不同的功能模塊，實現了一個簡單的互操作任務執(zhí)行器，首先，通過調用用戶的初始化函數TD_Init（），初始化所有內部狀態(tài)變量，之后，程序框架將USB口初始化為未配置狀態(tài)，并且使能中斷，以1s為時間間隔開始重新列舉（renumerate）設備，直到端點0收到設置包為止，一旦檢測端點0受多一個設置包，固件框架程序就啟動執(zhí)行一個互操作的任務分配器，按照給定的順序重復執(zhí)行下面的任務：調用函數TD_Poll（），判斷是否有標準設備請求等待處理，確定USB核是否報告了USB掛起事件。

主要固件配置如下：

1）配置異步從FIFO（Asynchronous Slave FIFO）模式，接口驅動采用內部的48M赫茲的時鐘源。

2）EndPoint4和EndPoint8作為雙向傳輸的管道，分別對應緩沖FIFO4和FIFO8存放USB需要接收與下傳的數據，它們均采用批量（BULK）傳輸方式，相對于其他USB2.0定義的傳輸方式具有數據可靠、傳輸速率高等特點，是最常用的傳輸方式。

3）設置FIFO4、FIFO8為自動方式，即在數據傳輸過程中無需CY7C68013的8051內核參與，以保證持續(xù)、高速、有效的數據傳輸。

EZ－USB FX2芯片定義了幾個特殊寄存器，以輔助固件程序相應設備請求，并向主機傳送數據，當設備收到設置包時，USB核會自動將設置數據放入8字節(jié)的SETUPBUF緩沖區(qū)中，用戶只須從中讀取設置數據，進行分析來判斷請求的類型即可。

方案中部分設備請求代碼如下：

讀取緩沖區(qū)中第2字節(jié)由PA[0：1]發(fā)送至DSP，作為命令類型標志（00為下傳，01為上傳，10為處理）；同時PA3口提供外部中斷觸發(fā)信號的上升沿。

固件就緒后通過Cypress公司提供的工具Control Panel加載至EEPROM中，當需要修改固件時，就可以在不改動硬件的情況下將主機上修改好的固件重新下載一次。

3.2 上位機流程

主機應用程序與操作系統(tǒng)相互作用，利用PC豐富的資源，實現顯示驗證，提高系統(tǒng)的可操作性，當操作系統(tǒng)認為有新設備接入時，就會自動調用相應的設備驅動。另外，該軟件需要一個圖形用戶界面來控制所用的函數，這里采用VC＋＋6.0來編制應用程序，首先調用CreateFile（）打開USB接口設備，獲得設備的句柄hDevice，然后計算機通過調用DeviceIoControl（）函數向外設發(fā)出。部分程序如下：

myRequest的8個成員變量對應固件配置SETUPBUF緩沖區(qū)中8字節(jié)的（SETUPDAT）數據，其中value的值表示了主機向DSP發(fā)送的命令類型（00/01/10），使DSP配合完成接收，處理及上傳的系統(tǒng)過程。

每次調用DeviceIoControl函數傳輸的數據量僅為1KB。為了滿足大數據量或者整幀圖像數據傳輸的要求，需要循環(huán)調用DeviceIoControl（）函數，以下載數據流的過程為例，循環(huán)體中的代碼如下：

buffer是主機發(fā)出數據塊的頭指針；pBy為每次下傳數據塊的首地址，是隨著循環(huán)變量i遞增的值。同樣，上傳數據的過程中也有類似的存儲操作。

4 系統(tǒng)測試

利用圖像序列對此主從式聯機系統(tǒng)進行測試。

觸發(fā)PC機上的界面控件（PA（0：1）＝00），下載10幅經不同程序噪聲污染的同一內容的圖像，DSP檢測到通用外部中斷口EXT_INT6的信號（對應USB芯片的PA3）讀入數據讀取命令類型，將10幀圖像數據存入SDRAM空間，之后，上位機繼續(xù)發(fā)出處理命令，DSP檢測到PA[0：1]＝10對存儲的多幀圖像數據進行累加平均，從而提高圖像的信噪比，在收到上傳命令（PA[0：1]＝01）時，DSP將處理完成的圖像回送至PC機顯示。

結語

本文詳細介紹了通過TMS32C6713的EMIF擴展USB接口的硬件連接、USB2.0固件程序和應用程序的開發(fā)以及基于這種通信模式的小型聯機系統(tǒng)的構成。經實際驗證，系統(tǒng)運行可靠，是一種比較好的高速數據傳輸與處理的解決方案。