基于端口模式的CY7C68013固件程序設(shè)計(jì)

1引言
通用串行總線（ USB）自從 1994年由微軟等公司共同提出到現(xiàn)在人們所熟知的USB2.0，USB技術(shù)不斷發(fā)展成熟。由于具有傳輸速度快、支持熱插拔、即插即用、擴(kuò)展性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，USB已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種 PC標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和用戶自定義開(kāi)發(fā)設(shè)備中。正是由于 USB擁有其他接口（如并口、串口）無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，將 USB接口應(yīng)用到彈載測(cè)量系統(tǒng)地面測(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)中，其通用性可擴(kuò)展性強(qiáng)，能夠提高讀數(shù)速度、簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)。
完整的 USB系統(tǒng)除了硬件電路外，還包括驅(qū)動(dòng)程序、單片機(jī)固件程序。固件是 USB系統(tǒng)的核心，它要響應(yīng)各種來(lái)自系統(tǒng)的 USB設(shè)備請(qǐng)求，完成各種數(shù)據(jù)的交換工作和事件處理，直接影響到 USB接口的數(shù)據(jù)傳輸速度[1]。因此，固件程序的編寫(xiě)是開(kāi)發(fā) USB設(shè)備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
本測(cè)試臺(tái)上采用的是Cypress公司的EZ-USB FX2系列單片機(jī) CY7C68013。實(shí)現(xiàn) USB接口的數(shù)據(jù)通信，CY7C68013可以配置為3種模式：端口模式、 GPIF和Slave FIFO[2]。后兩種模式由于使用FX2的管道連接方法，單片機(jī)的 CPU不參與數(shù)據(jù)傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，從而廣泛應(yīng)用于圖像、視頻信號(hào)采集等大批量數(shù)據(jù)的傳輸中。但使用這兩種模式進(jìn)行 USB設(shè)備的開(kāi)發(fā)相對(duì)較復(fù)雜，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)。至于端口模式，文獻(xiàn)中很少有介紹，由于這種模式下 CPU參與了數(shù)據(jù)傳輸，因此傳輸速率相對(duì)較慢 [3]，不過(guò)端口模式開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，可以降低工程人員的開(kāi)發(fā)難度，縮短開(kāi)發(fā)周期。本測(cè)試臺(tái)中傳輸數(shù)據(jù)量較少，傳輸速率也要求不高，因此本設(shè)計(jì)采用端口模式。 測(cè)試臺(tái)系統(tǒng)總體框圖彈載測(cè)量系統(tǒng)地面測(cè)試臺(tái)由模擬信號(hào)源、數(shù)字信號(hào)源、圖像信號(hào)源、 PCM碼解調(diào)模塊、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等幾部分組成，系統(tǒng)總體框圖如圖 1所示。

上位機(jī)通過(guò) USB接口分別下載模擬量、數(shù)字量及圖像數(shù)據(jù)到各自的信號(hào)源存儲(chǔ)器中，而解調(diào)出的PCM碼數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也是經(jīng)由 USB接口讀回到上位機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)了USB接口的雙向數(shù)據(jù)傳輸。 3硬件連接
CY7C68013與外圍電路連接如圖 2所示。

測(cè)試臺(tái)下載信號(hào)源數(shù)據(jù)時(shí)，USB單片機(jī)將數(shù)據(jù)先寫(xiě)入 FIFO1中，F(xiàn)PGA（XC2S50）通過(guò)判斷 FIFO1的空信號(hào)將數(shù)據(jù)讀出；而回讀時(shí) FPGA將數(shù)據(jù)寫(xiě)入 FIFO2，當(dāng) FIFO2半滿時(shí)， USB單片機(jī)產(chǎn)生 FIFO2的讀信號(hào)將數(shù)據(jù)讀出送至上位機(jī)。USB單片機(jī)通過(guò) PE口產(chǎn)生不同的狀態(tài)信號(hào)(Status[7:0])使系統(tǒng)進(jìn)行上述不同操作。 4固件程序設(shè)計(jì)
所有基于微控制器及其外圍電路的功能設(shè)備的正常工作都離不開(kāi)固件的參與，固件程序是基于微控制器設(shè)備運(yùn)行的核心。固件設(shè)計(jì)的目標(biāo)就是控制硬件來(lái)完成預(yù)期的設(shè)備功能。USB設(shè)備也不例外，用戶必須編寫(xiě)固件程序來(lái)輔助硬件完成USB通信任務(wù)。CY7C68013芯片的固件程序負(fù)責(zé)處理上位機(jī)發(fā)來(lái)的各種 USB設(shè)備請(qǐng)求，并負(fù)責(zé)控制 CY7C68013與外圍電路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，其工作主要包括以下幾點(diǎn)[4]：
（1）初始化工作，包括設(shè)置一些特殊功能寄存器的初值以實(shí)現(xiàn)所需的設(shè)備屬性或者功能； （2） 對(duì)設(shè)備進(jìn)行重新列舉（ReNumeration），主要的工作有：模擬設(shè)備的斷開(kāi)與重新連接、對(duì)接收到的設(shè)置包進(jìn)行分析判斷、對(duì)主機(jī)的設(shè)備請(qǐng)求作出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，完成主機(jī)對(duì)設(shè)備的配置任務(wù)；
（3）響應(yīng)中斷，并對(duì)中斷作相應(yīng)的處理。USB接口在設(shè)備列舉、響應(yīng)主機(jī)標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)求和廠商請(qǐng)求、數(shù)據(jù)傳送等動(dòng)作過(guò)程中都會(huì)向微控制器申請(qǐng)中斷，因此微控制器必須正確處理這些中斷才能保證 USB傳輸?shù)恼＿M(jìn)行；
（4）數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。USB設(shè)備的主要任務(wù)就是進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，因此CY7C68013的固件程序必須要對(duì)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的端點(diǎn)進(jìn)行正確的配置及控制，才能正確地接收和發(fā)送數(shù)據(jù)；
（5）外圍電路的控制。USB接口要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，CY7C68013就必須對(duì)外部 FIFO進(jìn)行讀寫(xiě)控制，因此固件程序中包含對(duì)外圍電路進(jìn)行控制的代碼也是必要的。