TMS320C54XX DSP和USB接口芯片AN2131Q的接口软硬件设计
通用串行总线usb（universal serial bus）应用由三部分组成：具有usb接口的pc系统、能够支持usb的系统软件和使用usb接口的设备。usb应用采用通用连接技术，实现外设的简单快速连接，借以达到方便用户、降低成本、扩展pc机连接外设范围的目的。usb的特点如下：
（1）连接灵活、使用方便 现在计算机系统连接外围设备的接口并无统一的标准，如键盘用ps/2接口，打印机用25针的并行接口等。usb则将这些不同的接口统一起来，由一组微小的矩型插座和软件构成。用户插入外设后，计算机系统能够自动识别接入的外设，而不需要重新启动系统，用户可以带电插拔；为usb设计的驱动程序和应用软件可以自动启动，无需用户干预usb设备，也不涉及irq冲突等问题；usb单独使用自己的保留中断，不会同其它设备争用pc机的有限资源。
（2）为外设提供电源 usb能自动识别外设所需的电源，并通过usb电缆向该设备供电（最高可达500ma）。
（3）速度快 usb的最高传输率可达12mbit/s，比串口速度快100倍，比并口速度快近10倍。usb端口的传输速率比目前pc机平台上的任何其它类型端口的传输速率都快。预计今后usb的速度将会提高到100mbit/s以上。
（4）支持多媒体 usb提供了对电话的两路数据支持，它可支持异步及等时数据传输，使电话可与pc机集成，共享语音邮件及其它功能。由于usb音频信息生成于计算机外，因而减少了电子噪音干扰声音质量的机会，从而使音频系统具有更高的保真度。
1、 usb接口芯片an2131q
目前市场上usb接口芯片很多，使用较为广泛的是crypress公司的an2131系列的usb接口芯片an2131q。an2131q具有以下优点：
（1）基于ram的“软”系统解决方案（soft，ram based），不需要rom或其它的固化存储器，而只使用片内的程序/数据ram。通过主机下载的方式来配置usb接口，因而使接口系统的修改和升级变得非常简单，使外设硬件的更新和升级变得更为方便。
（2）数据吞吐量完全达到usb协议要求，可以向用户提供足够的端口、缓冲区和传输速度；提供usb协议要求的全部四种传输方式（控制传输、中断传输、批量传输和同步传输），可以满足用户对各种类型数据传输的需求。
（3）片上的串行接口处理机（sie）完成大部分的usb协议操作，使用户可以摆脱复杂的协议细节，简化了用户配置代码，加快了开发过程。
（4）内嵌增强型8051处理器，兼容8051指令系统；一个指令周期仅需四个时钟周期，可提供标准8051三倍以上的处理能力；双数据指针，方便数据块搬移；使用片内ram作为数据/程序存储器，非复用数据/地址总线，使程序执行速度更快，并且其同外部器件的连接更加简单。
（5）休眠模式可以降低系统功耗，延长器件的使用寿命。
an2131q的功能框图如图1所示。
usb收发器和pc机的接口只有四根导线：+5v、gnd、d+、d-。数据以12mb/s的全速信号或者以1.5mb/s的低速信号在d+和d信号线上差分传输。收发器固化在芯片上，不需要外部电路，最多只需要用来选择全速或者低速的上拉电阻。
串行接口引擎（sie）通过包排序、信号产生及检测、crc产生及校验、nrzi数据编码、位填充以及包标识产生及解码等功能块处理usb通信协议，并保证传送到usb电缆上的数据字节以lsb开头。
an2131q采用通用的8051微控制器及片上ram，其编程语言为51系列单片机的通用语言，使用方便。
2 、tms320c54xx dsp和an2131q接口芯片的硬件连接
tms320c54xx dsp芯片选用ti公司的tms320vc5409，tms320vc5409是定点dsp芯片，它使用改进的哈佛结构，8级流水线操作，最高速度可以达到166mips。
在an2131q芯片和tms320c54xx dsp芯片之间采用fifo（first in first out sram）芯片连接，可以使usb接口芯片和dsp之间的最大数据交换速度超过usb总线的速度，使之不成为数据传输的瓶颈，从而使dsp和主机间的数据传输速度只受usb协议限制。
由于an2131q芯片内嵌8位8051处理器，所以使用两片8位fifo芯片实现usb接口和dsp之间的双向通信。fifo选用具有1k×9bit内存的idt72v02。从an2131q或者dsp传输的数据首先保存在fifo中，然后再由dsp或者an2131q读走，从而使得数据的传输不会出现堵塞情况，其硬件连接框图如图2所示。
由于选用的fifo只有双端数据总线和状态信号，没有地址总线，所以dsp采用i/o译码方式访问fifo。fifo状态信号有空（ef）、半满（hf）和满（ff），它们都是低有效。合理利用这三个信号可以很有效地提高fifo的读写效率。例如利用hf，如果其无效，表示fifo中的数据没有达到半满，此时不用查询ff就可以向fifo中写入一块数据，只要数据块的大小等于或小于fifo容量的一半，fifo肯定不会满溢出。这样就可以大大提高fifo的写入速度。
3、 tms320c54xx dsp芯片和an2131q芯片的软件连接
an2131q芯片和tms320c54xx dsp芯片之间的软件连接包括四个部分：an2131q对fifo1的写、an2131q对fifo2的读、dsp对fifo1的读、dsp对fifo2的写。为了描述方便，将fifo1的三个状态信号称之为：ef1、hf1和ff1，将fifo2的状态信号称为ef2、hf2和hf2。
3.1 an2131q写fifo1
当usb总线上有数据要传送至dsp时，an2131q查询hf1。若hf1无效，an2131q一次向fifo1写入一个数据包。包大小要小于或等于fifo1容量的一半，写每一个字节时不需再查询ff1。
3.2 dsp读fifo1
dsp每次从fifo1中读入一个数据包。每读一个字节前，dsp需要查询ef1，只有当ef1无效（fifo1不空）时，dsp才可能进行读操作。
3.3 dsp写fifo2
当dsp有数据要传送至主机时，dsp把数据打包，每次向fifo2中写入一包数据。方法同an2131q写fifo1，只不过dsp查询的信号是hf2。写完一包后，dsp向an2131q发一个中断信号，dsp在写下一包数据时要等待an2131q的应答。an2131q应答的方法是利用dsp的外部中断int1中断dsp。
3.4 an2131q读fifo2
an2131q收到dsp发出的中断信号，应答dsp后，从fifo2中读入一包数据，不用再查询ef2。
3.5 数据包格式
每个数据包由包头和数据两部分构成如图3所示。包头长度为一个字节，指明以字节为单位包中数据（不含包头）的长度。包中的数据要少于或等于64字节，即最大的包总长度为65字节。
3.6 dsp中断an2131q的方法
通过操作控制字向an2131q发一个负脉冲，下降沿有效，时序要求如图4所示。
3.7 dsp读fifo状态
方法一是dsp通过读i/o地址0xxx xxxx xxxx x010b可获得状态信号ef1和hf2。方法二是dsp通过置tms320vc5409状态寄存器st1中的xf位，从bio引脚上获取状态信号。当xf置1时，bio引脚反映hf2的电平，当xf置0时反映ef1的电平。
4 、an2131q芯片驱动程序的实现
an2131q芯片的一个特点就是能够按照个人需要通过“下载”和“重列举”动态地改变设备性能。an2131q芯片内部有不可改变的存储单元存放特有的代理号（vid）和产品号（pid），vid/pid将绑定主机中的某个设备驱动程序，而该驱动程序的唯一任务就是向an2131q下载程序代码。
用户需要编写三个程序来实现usb设备的使用。一个是负责usb接口调用程序，用于pc机识别usb设备；另一个是安装usb的信息文件，用于对usb设备的一些说明；第三个是an2131q使用的程序，用于对数据的传输。下面对这三个程序分别做一些简单的说明。
4.1 负责usb接口调用程序
cypress提供了制作该程序的模板。首先，将keil51编译生成的16进制文件转换为可写入usb ram中的二进制文件。然后将该二进制文件拷入模板中，调用ddk（device driver kit），在ddk环境下对模板进行编译，生成驱动程序的系统文件。usb通过gpd（general purpose driver）实现上层软件与usb的通信。gpd提供一种用户模式的界面，完成usb设备的请求和数据传输。cypress的开发工具包中提供了其开发面板的源程序，而其开发面板的设计就是基于gpd的。这使得开发者在例子程序的指引下，能快速地编写出用于通信的应用软件。gpd的设计思想是服务于一般用户的，其接口函数具有通用性。通过gpd提供的接口函数的原型，可以实现各种usb操作。包括实现负责usb设备的请求（即打开usb设备）；负责usb的i/o口控制；通过改变ioctl（i/o control code）实现各种操作。
4.2 安装usb的信息文件
安装文件的任务就是将驱动程序文件绑定到特定的vid/pid。主要说明哪一个文件是负责usb接口调用程序，哪一个文件是an2131q需要下载的文件。crypress公司提供了一个标准的usb安装信息文件。然而用户还需要将自己对usb设备的描述（包括说明、版本号、日期、生产商等信息）加到安装信息文件中。
4.3 an2131q使用的程序
an2131q使用的程序是在pc机找到usb设备后下载到an2131q芯片内的程序，此程序实现an2131q对fifo和usb接口的监控和读写数据。这个文件因为涉及到下层硬件的连接，不可能提供通用的模板，需要用户自己编写。
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1、 usb接口芯片an2131q
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当dsp有数据要传送至主机时，dsp把数据打包，每次向fifo2中写入一包数据。方法同an2131q写fifo1，只不过dsp查询的信号是hf2。写完一包后，dsp向an2131q发一个中断信号，dsp在写下一包数据时要等待an2131q的应答。an2131q应答的方法是利用dsp的外部中断int1中断dsp。
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3.5 数据包格式
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3.6 dsp中断an2131q的方法
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3.7 dsp读fifo状态
方法一是dsp通过读i/o地址0xxx xxxx xxxx x010b可获得状态信号ef1和hf2。方法二是dsp通过置tms320vc5409状态寄存器st1中的xf位，从bio引脚上获取状态信号。当xf置1时，bio引脚反映hf2的电平，当xf置0时反映ef1的电平。
4 、an2131q芯片驱动程序的实现
an2131q芯片的一个特点就是能够按照个人需要通过“下载”和“重列举”动态地改变设备性能。an2131q芯片内部有不可改变的存储单元存放特有的代理号（vid）和产品号（pid），vid/pid将绑定主机中的某个设备驱动程序，而该驱动程序的唯一任务就是向an2131q下载程序代码。
用户需要编写三个程序来实现usb设备的使用。一个是负责usb接口调用程序，用于pc机识别usb设备；另一个是安装usb的信息文件，用于对usb设备的一些说明；第三个是an2131q使用的程序，用于对数据的传输。下面对这三个程序分别做一些简单的说明。
4.1 负责usb接口调用程序
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4.3 an2131q使用的程序
an2131q使用的程序是在pc机找到usb设备后下载到an2131q芯片内的程序，此程序实现an2131q对fifo和usb接口的监控和读写数据。这个文件因为涉及到下层硬件的连接，不可能提供通用的模板，需要用户自己编写。
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