摘  要： 采用Cypress公司的CY7C68013芯片設(shè)計(jì)了通用的USB接口，結(jié)合MAX7128的串/并/串轉(zhuǎn)換和光纖收發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸。介紹了系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)， 詳細(xì)介紹了固件設(shè)計(jì)和WDM驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu)、特性、工作機(jī)制、軟件流程及與USB設(shè)備通信的方法。測(cè)試表明，該系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)和實(shí)用要求。

　　USB控制器是以USB串口引擎為主的專用集成電路，并可延伸至對(duì)其進(jìn)行管理的MCU以及相應(yīng)的軟硬件。目前市場(chǎng)上供應(yīng)的USB控制器主要有2種：帶USB接口的單片機(jī)(MCU)或純粹的USB接口芯片。帶USB接口的單片機(jī)可分為2類：一類是從底層設(shè)計(jì)專用于USB控制的單片機(jī)，如Cypress公司的CY7C63513、CY7C64013等[1]，由于開(kāi)發(fā)工具的專用性，往往應(yīng)用于各種專業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合，如微機(jī)主板等[2-4]；另一類是增加了USB接口的普通單片機(jī)，如Intel公司的8X931、8X930以及Cypress公司的EZ-USB，由于均基于8051內(nèi)核，因而得到了廣泛應(yīng)用。

　　1 CY7C68013與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

　　Cypress公司的CY7C68013芯片是集成USB2.0協(xié)議的微處理器，支持12 Mb/s的全速傳輸和480 Mb/s的高速傳輸，具有控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸和同步傳輸4種傳輸方式，內(nèi)部包括一個(gè)增強(qiáng)型8051處理器內(nèi)核、一個(gè)串行接口引擎（SIE）、一個(gè)USB收發(fā)器、8.5 KB片上RAM和4 KB FIFO存儲(chǔ)器以及一個(gè)通用可編程接口(GPIF)。8051可工作在48 MHz/24 MHz/12 MHz時(shí)鐘頻率，內(nèi)部可自動(dòng)產(chǎn)生480 MHz的頻率供USB2.0串行收發(fā)引擎使用。由于數(shù)據(jù)緩沖器與SIE相連接，數(shù)據(jù)進(jìn)入收發(fā)器后，通過(guò)SIE可直接轉(zhuǎn)向FIFO，通過(guò)8 bit或16 bit數(shù)據(jù)接口與外設(shè)連接，存取數(shù)據(jù)。微控制器不參與數(shù)據(jù)傳輸，但允許以FIFO或RAM的方式訪問(wèn)這些共享FIFO，從而實(shí)現(xiàn)低速控制、高速傳輸。CY7C68013有GPIF/SLAVE FIFO/GPIO 3種接口模式，本系統(tǒng)采用Slave FIFO接口模式，選用控制傳輸和塊傳輸2種方式，外部控制器可像普通FIFO一樣對(duì)FIFO進(jìn)行讀寫。

　　本數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分為3部分：發(fā)送端和接收端、CY7C68013控制器、具有并/串(或串并轉(zhuǎn)換)功能的CPLD芯片（MAX7128）以及光纖傳輸模塊。其中，CY7C68013和MAX7128之間采用并行連接方式，MAX7128與激光發(fā)送（接收）模塊間是串行連接，如圖1(a)所示。

　　圖1(a)中，主機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送到CY7C68013端點(diǎn)FIFO緩沖器中，然后CY7C68013將端點(diǎn)FIFO中的數(shù)據(jù)分字節(jié)放到一組I/O口上，并且使能讀信號(hào)，MAX7128讀取I/O上的邏輯值，當(dāng)接收512 B后，MAX7128將這512 B的數(shù)據(jù)從低到高串行發(fā)送給激光發(fā)送模塊；數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)光纖傳輸，進(jìn)入激光接收模塊，輸出串行信號(hào)，通過(guò)MAX7128實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)寬度為8 bit，通過(guò)CY7C68013的從屬FIFO的寫入時(shí)序即可將數(shù)據(jù)寫入CY7C68013的端點(diǎn)緩沖器中。

　　USB數(shù)據(jù)傳輸接口開(kāi)發(fā)分為4個(gè)層次，接口硬件、接口軟件、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序如圖1(b)所示。

　　2 固件程序設(shè)計(jì)

　　由于高速數(shù)據(jù)傳輸不需要固件程序參與，固件程序僅僅處理主機(jī)的發(fā)送請(qǐng)求。在發(fā)送端，固件將數(shù)據(jù)放置到I/O口上供MAX7128讀??；在接收端，MAX7128完成串并轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)用特定時(shí)序?qū)懭隒Y7C68013。此時(shí)只需設(shè)定寄存器，固件程序相對(duì)簡(jiǎn)單，圖2為發(fā)送和接收固件程序流程。

　　CY7C68013芯片固件程序負(fù)責(zé)處理主（從）機(jī)發(fā)送來(lái)的各種請(qǐng)求，以完成與外圍電路間的各種數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)固件一共包含九個(gè)程序文件，其中的頭文件分別定義了CY7C68013中的寄存器名和特殊功能寄存器、通用的CY7C68013常量、數(shù)據(jù)類型和宏、特殊功能寄存器所需要的同步延遲宏、用來(lái)描述CY7C68013狀態(tài)的各種USB描述符、INT2和INT4中斷跳轉(zhuǎn)表等。主函數(shù)負(fù)責(zé)處理標(biāo)準(zhǔn)USB請(qǐng)求和自定義請(qǐng)求，控制整個(gè)硬件系統(tǒng)的運(yùn)行。接收端固件主循環(huán)不用做任何操作，與發(fā)送端程序流程圖完全相同。其固件運(yùn)行的主程序清單如下，負(fù)責(zé)處理主機(jī)發(fā)出的各種USB請(qǐng)求。

　　……

　　TD_Init()；//初始化用戶設(shè)備

　　EZUSB_IRQ_ENABLE()；//使能USB中斷（INT2)

　　EZUSB_ENABLE_RSMIRQ()；//使能喚醒中斷

　　INTSETUP |=(bmAV2EN | bmAV4EN)；//使能INT2

　　//和INT4中斷跳轉(zhuǎn)向量

　　USBIE |=bmSUDAV | bmSUTOK | bmSUSP | bmURES |

　　bmHSGRANT；//使能所選擇的中斷

　　EA=1；//打開(kāi)8051中斷

　　UsbDisconnect()；

　　CKCON=(CKCON&(~bmSTRETCH)) | FW_STRETCH_

　　VALUE；//設(shè)為0值

　　Sleep=FALSE；//清除sleep標(biāo)志

　　while(TRUE)//主循環(huán)

　　{

　　if(GotSUD)//等待SETUP令牌數(shù)據(jù)的到來(lái)

　　{

　　ParseControlTransfer()；//處理SETUP令牌數(shù)據(jù)

　　GotSUD=FALSE；//清除SUDAV標(biāo)志

　　}

　　if (Sleep)

　　{

　　Sleep=FALSE；//清除sleep標(biāo)志

　　do

　　{

　　EZUSB_Susp()；//置8051為空閑

　　}

　　while(!Rwuen&&EZUSB_EXTWAKEUP())；

　　EZUSB_Resume()；//從空閑狀態(tài)恢復(fù)

　　}

　　TD_Poll()；//完成用戶任務(wù)

　　}

　　……

　　需要強(qiáng)調(diào)的是：固件程序設(shè)計(jì)完成后需要進(jìn)行調(diào)試，確保系統(tǒng)硬件正常工作。

　　(1)工作時(shí)鐘頻率的確定：晶振兩引腳對(duì)地電壓均為1.6 V左右，此時(shí)CLKOUT引腳默認(rèn)輸出為24 MHz，當(dāng)輸出48 MHz時(shí)，電壓為2.5 V。

　　(2)電平觸發(fā)中斷方式：中斷后一定要讀上次傳輸狀態(tài)寄存器（命令40 H~45 H），以清除中斷寄存器中的中斷標(biāo)志，這樣中斷輸出才能變回高電平。

　　(3)使能端口：接收到Setup包后，必須用ACKsetup命令重新使能端口為低電平。

　　(4)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)標(biāo)志：在向IN端點(diǎn)寫完數(shù)據(jù)后，必須設(shè)置EP2BCH:L，指明緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)有效，示意可以發(fā)送到主機(jī)。當(dāng)IN端點(diǎn)的數(shù)據(jù)被外設(shè)讀走后，一定要調(diào)用OUTPKTEND來(lái)清除緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，否則無(wú)法向IN端點(diǎn)寫入數(shù)據(jù)。

　　在USB設(shè)備枚舉的過(guò)程中，可采用USB調(diào)試工具BusHound軟件來(lái)抓取它和主機(jī)的通信數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以檢查硬件和固件程序的工作是否正確。

　　3 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　為了配合CY7C68013的工作，需要有驅(qū)動(dòng)程序以使上位機(jī)程序能正常訪問(wèn)USB芯片。以Cypress公司提供的參考程序?yàn)榛A(chǔ)，增加自定義控制請(qǐng)求即可。

　　由于驅(qū)動(dòng)程序必須和系統(tǒng)的總線驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通信，系統(tǒng)總線驅(qū)動(dòng)為WDM(Win32 Driver Model)驅(qū)動(dòng)。因此，USB驅(qū)動(dòng)程序采用WDM設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[8]。由于USB總線驅(qū)動(dòng)程序（USBD）一般由操作系統(tǒng)提供，負(fù)責(zé)與實(shí)際的硬件打交道，因此，重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（USB Device Driver）。USB設(shè)備的WDM驅(qū)動(dòng)程序是通過(guò)創(chuàng)建URB(USB請(qǐng)求塊)，并向USB總線驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送包含URB的IRP來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)USB設(shè)備信息的發(fā)送和接收。此外，USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序除負(fù)責(zé)處理應(yīng)用程序的I/O請(qǐng)求外，還要處理PnP請(qǐng)求。

　　CY7C68013的驅(qū)動(dòng)程序包括2部分：usbfft.sys，專用于下載芯片的固件程序；loaderfft.sys，上位機(jī)和CY7-

　　C68013進(jìn)行通訊的部分，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)功能。這2個(gè)部分都存放在上位機(jī)上，當(dāng)系統(tǒng)上電或USB連接時(shí)，固件部分將自動(dòng)下載到芯片的RAM中供8051執(zhí)行。

　　4 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　上位機(jī)是人機(jī)交互的平臺(tái)，需要良好的操作界面。

　　應(yīng)用程序是完成數(shù)據(jù)發(fā)送與接收并且對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效控制的平臺(tái)，不僅需要向CY7C68013發(fā)送數(shù)據(jù)，還需要將接收的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)并保存。此外為了系統(tǒng)測(cè)試的方便，增加了誤碼率和速率測(cè)試模塊，以測(cè)試系統(tǒng)的整體性能。

　　本系統(tǒng)上位機(jī)的主要功能有：(1)文件的發(fā)送；(2)文件的接收；(3)速率測(cè)試；(4)誤碼率測(cè)試；(5)系統(tǒng)控制，用來(lái)獲取CY7C68013描述符以及其內(nèi)部寄存器的情況，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，如使能CY7C68013的數(shù)據(jù)輸出功能及片內(nèi)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移功能等。

　　系統(tǒng)中定義了6個(gè)時(shí)間控件來(lái)完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，timer1、timer3和timer4分別完成文件、誤碼率及速率測(cè)試的發(fā)送，Timer2、timer6和timer8分別完成文件、誤碼率及速率測(cè)試的接收。另外定義了一個(gè)時(shí)間控件來(lái)控制開(kāi)啟哪一個(gè)接收數(shù)據(jù)時(shí)間控件。為了保證有效判斷所接收到的數(shù)據(jù)是文件、速率測(cè)試還是誤碼率測(cè)試數(shù)據(jù)，在timer1、timer3和timer4發(fā)送前都先發(fā)送一個(gè)512 B的前導(dǎo)包。全為1時(shí)表示下一個(gè)數(shù)據(jù)包包含著速率測(cè)試數(shù)據(jù)，全為2時(shí)表示下一個(gè)數(shù)據(jù)包包含著誤碼率測(cè)試數(shù)據(jù)，全為3時(shí)表示下一個(gè)數(shù)據(jù)包包含著文件數(shù)據(jù)。這樣就能判斷出應(yīng)該開(kāi)啟哪一個(gè)接收時(shí)鐘。

　　具體的文件數(shù)據(jù)處理方法是：文件打開(kāi)后，先將文件緩沖，定義一個(gè)二維數(shù)組：行512 B，列由文件大小決定。數(shù)組的第一個(gè)512 B前20 B記錄所發(fā)送文件的大小，并且在最開(kāi)始的5 B以0xAA填充，表明這個(gè)數(shù)據(jù)包是全部文件的開(kāi)始，當(dāng)文件大小不足填滿最后的512 B時(shí)，數(shù)據(jù)補(bǔ)0，但數(shù)組結(jié)尾為0xAA。

　　采用CY7C68013設(shè)計(jì)的高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)測(cè)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速傳輸，為下一步開(kāi)展數(shù)據(jù)編碼/譯碼、調(diào)制/解調(diào)研究打下了良好的基礎(chǔ)。