高速USB接口设计
高速usb接口设计
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内部包含3个固定的64字节端点缓冲区(0xe740～0x7ff)和4kb的可配置端点缓冲区空间(oxf000～oxffff)。3个64字节的缓冲区分别用于epo，epiin和epiout，4kb的可配置缓冲区用于ep2、ep4、ep6和ep8。其中，端点0默认为控制端点，其0ut和in数据共享一块存储空间(oxe740～oxe77f)，端点1支持块传输、中断传输和同步传输，其out数据占用缓冲区oxe780～0xe7bf，in数据占用缓冲区oxe7c0~0xe7ffa端点。端点l仅能由ez-usb fx2的固件访问端点2、端点4，端点6和端点8是大容量高带宽的数据传输端点，其无需8051固件干涉便可同外围电路完成高速数据传输。这4个端点具有非常灵活的配置方式，适应不同场合下的带宽要求。其中双重缓冲意味着usb读写一个缓冲区的同时，另一缓冲区可以与外围电路进行数据通信；三重缓冲增加了第3个数据缓冲区，可供usb端或外围电路端使用；四重缓冲增加了第4个缓冲区。多重缓冲结构可在数据读写双方速度相似时，有效提高usb带宽的性能，平滑带宽抖动，并减少双方的互相等待时间。
3 硬件设计
usb控制器及其外围电路组成系统的数据读取和传输模块，主要负责读取数据及与pc机通信，从而完成系统功能。ez—usbfx2和fpga的从slavefif0硬件连接如图2所示。
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。
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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内部包含3个固定的64字节端点缓冲区(0xe740～0x7ff)和4kb的可配置端点缓冲区空间(oxf000～oxffff)。3个64字节的缓冲区分别用于epo，epiin和epiout，4kb的可配置缓冲区用于ep2、ep4、ep6和ep8。其中，端点0默认为控制端点，其0ut和in数据共享一块存储空间(oxe740～oxe77f)，端点1支持块传输、中断传输和同步传输，其out数据占用缓冲区oxe780～0xe7bf，in数据占用缓冲区oxe7c0~0xe7ffa端点。端点l仅能由ez-usb fx2的固件访问端点2、端点4，端点6和端点8是大容量高带宽的数据传输端点，其无需8051固件干涉便可同外围电路完成高速数据传输。这4个端点具有非常灵活的配置方式，适应不同场合下的带宽要求。其中双重缓冲意味着usb读写一个缓冲区的同时，另一缓冲区可以与外围电路进行数据通信；三重缓冲增加了第3个数据缓冲区，可供usb端或外围电路端使用；四重缓冲增加了第4个缓冲区。多重缓冲结构可在数据读写双方速度相似时，有效提高usb带宽的性能，平滑带宽抖动，并减少双方的互相等待时间。
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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。
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