引 言

USB（Universal Serial Bus）是一種通用串行總線，主要用于PC與外圍USB設備的互聯。近年來，USB接口以其快速、即插即用、使用安裝方便等優點逐漸成為現代數據傳輸的發展趨勢。目前，國內外采用USBl．1和USB2．O兩種規范。USBl．1主要用于低速傳輸要求的場合，支持1．5Mb／s和12Mb／s兩種傳輸速率；而USB2．O規范則提供高達480Mb／s的傳輸速率。盡管如此，在某些對數據傳輸速度要求很高的系統中，外圍設備與USB接口之間在速度上仍存在著不可忽視的傳輸瓶頸。

Cypress公司生產的USB2．0控制器CY7C68013提供了一種獨特的接口方式，即通用可編程接口（GPIF）方式。它與傳統接口方式的主要區別有兩點：①在數據傳輸過程中不需要CPU干涉，使得傳輸速率明顯提高，從而可以充分利用USB2．0的傳輸帶寬；②由軟件設置讀／寫控制，其控制方式類似于狀態機，提高了傳輸穩定性。因此，本文介紹的基于USB2．0控制器CY7C68013的GPIF接口設計，就是充分利用了該芯片這一獨特的數據傳輸接口方式，有效地解決了在傳統接口方式下USB2．0設備數據傳輸速度的局限性，大大提高了數據的傳輸速率。

1、 CY7C68013簡介

CY7C68013是Cypress公司的EZ-USB FX2系列芯片。EZ-USB FX2是一款集成USB2．0收發器的微控制器，內部結構如圖l所示。該系列芯片集成了USB2．O收發器、串行接口引擎（SIE）、帶8．5KB片上RAM的增強型高速8051單片機、4KB FIFO存儲器以及通用可編程接口等模塊．提供了全面集成的USB解決方案，無需外加芯片即可實現高速USB傳輸。FX2系列芯片最主要的特點是可以通過USB2．0的通用可編程接口為特定的應用接口編程。另外，CY7C68013的GPIF引擎具有自動傳輸數據結構的特性，這種特性使得以主／從端點FIFO（B/16位數據總線）為ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA、DSP等的外圍設備，可以與主機通過CY7C68013無縫、高速地傳輸數據。另外，CY7C68013內部集成的USB2．O的SIF能完成大部分USB2．O協議的處理工作，從而減少了用戶對繁雜的USB協議的處理。

2 、硬件設計及原理

在GPIF接口方式設計中，GPIF作為CY7C68013的端點FIFO的內部控制器，在這種方式下，CPU不會干涉數據的傳輸。CY7C68013的GPIF接口方式如圖2所示。

CY7C68013專門為GPIF提供了接口信號（包括16位數據線、輸出控制信號CTL、輸入控制信號RDY以及地址線ADR），這些信號負責完成USB接口芯片與外圍設備或器件（如FPGA、DSP等）的數據讀／寫控制和傳輸。以下為GPIF方式下的主要端口功能。

FDO～FDl5（輸入／輸出）：USB主機通過CY7C68013與外部設備進行數據傳輸的數據線，可以用8位或16位數據線。

CTLO～CTL5（輸出）：CY7C68013對外部設備進行控制的信號線。

RDY0～RDY5（輸入）：CY7C68013對外部設備的狀態進行檢測的信號線。

SDA（雙向）、SCL（輸出）：E2PROM的數據及時鐘信號線。

ADR0～ADR8（輸出）；GPIF為外部設備提供的地址線。

在本設計中，除了重點利用通用可編程接口來實現無縫、高速的傳輸數據外，還采用了EZ-USBFX2提供的一種獨特架構，即“量子FIFO（Quantum FIFO）”處理架構。它能較好地解決帶寬問題，圖3為其數據傳輸示意圖。當USB執行OUT時，EP2端點被設置為512字節四重FIFO（在USB端和外部接口端，都不知道有四重FIFO），圖4為其數據傳輸原理圖。在USB端看來，只要有1個FIFO為“半滿”，那么就可以繼續發送數據。

當前操作的FIFO寫“滿”時，FX2自動將其轉換到外部接口端，排除等候讀取；并將USB接口隊列中下一個為“空”的FIFO轉移到USB接口上，供其繼續寫數據。同時，在外部接口端看來，只要有1個FIFO為“半滿”，就可以繼續讀取數據。當前操作的FIFO讀“空”時，FX2自動將其轉換到USB接口端，排除等候寫入；并將外部接口隊列中下一個為“滿”的FIFO轉移到外部接口上，供其繼續讀取數據。

3 、軟件設計及實現

本設計的軟件設計包括：固件程序、驅動程序和應用程序設計。其中，固件程序是整個程序設計的核心，它在設備CPU中運行。GPIF就是在固件中實現的，因此，只有在該程序運行時，外設才能稱之為具有給定功能的外部設備。

3．1 固件設計

在GPIF高速數據傳輸中，GPIF波形的描述符決定了整個數據傳輸過程的時序。GPIF波形描述符通常用Cypress公司的GPIF工具（GPIFTOOL）進行配置。它是一個可運行于Windows平臺的應用程序，與FX2的開發包一起發布的。在GPIF方式下，所有的讀／寫及控制邏輯通過CY7C68013的GPIF以軟件編程的方式實現，且控制邏輯的變換方便靈活（只需要改變接口的一個配置寄存器的值）。

FX2由4個GPIF波形描述符控制各個狀態，它們分別是GPIF Waveform O（FIFORd）、GPIF Waveform1（FIFOWr）、GPIF Waveform 2（SnglRd）和GPIF Wave-form 3（SnglWr）。這些波形描述符可以動態地配置給任何一個端點FIFO。FX2的固件程序可以把這些描述符配置給4個FIFO中的任意一個；配置后，GPIF將依據波形描述符產生相應的控制邏輯和握手信號給外界接口，以滿足向FIFO讀／寫數據的需要。每個波形描述符包含了7個有效狀態（S0～S6）和1個空閑狀態。在每個有效狀態對應的時間段里，經過預先設置，GPIF可以完成以下幾項工作：驅動（使高或低）或浮接CTL輸出，采樣或驅動FIFO的數據總線，增加GPIF地址總線的值和指向當前FIFO指針的值，以及啟動GPIFWF（GPIF波形）中斷。除此之外，在每個狀態下，GPIF還可以對幾個信號（如RDY輸入端、FIFO狀態標志位、內部RDY標志位和傳輸計數終止標志位）中的任意兩個進行采樣，把其中兩個信號相“與”、相“或”或者相“異或”，并根據結果跳轉到其他任意一個狀態或延遲1～256個時鐘周期，當然也可以根據輸入端的信號進行跳轉或延遲。

FIFO讀波形配置（FIFORd）如圖5所示。在狀態0時，數據總線上的數據為有效（activate），GPIF把數據讀到FIFO中。在狀態1時，GPIF產生一個正脈沖信號RDCLK（CTL0）給外圍設備，表示已經讀取了一個數據，同時判斷數據是否傳輸結束。如果還沒有，則不斷循環狀態O和狀態l，直到讀完所有數據為止；讀完所有數據后，不再經過中間其他任何狀態，就直接跳到狀態7（Idle），表示完成本次數據傳輸。從圖5中町以看出，在兩個時鐘周期內完成了一個數據（8位或16位）的讀取，如果數據為雙字節寬，那么傳輸速率可達48 Mb／s，從而充分利用了USB2．0的傳輸帶寬，大大提高了數據傳輸的速率。

3.2 驅動程序設計

USB系統驅動程序由3部分組成：USB設備驅動程序、USB總線驅動程序和USB主控制器驅動程序。其中，Windows操作系統已經提供了處于驅動程序棧底的USB總線驅動程序和USB主控制器驅動程序；而USB設備驅動程序由設備開發者編寫，通過向USB總線驅動程序發送包含URB（USB Request Block）的IRP（I／O RequestPaeket），以實現USB外設之間的信息交換。

開發USB設備驅動程序，可采用Numega公司的開發包Driver Works和Mierosoft公司的2000DDK，并以VC++6．O作為輔助開發環境來完成。在Cypress公司的EZ-USBFX2開發包中，提供了完整的CY7C68013驅動程序源代碼、控制面板程序及固件的框架，可以大大加快用戶開發的進度。用戶只需對所帶驅動程序稍加修改甚至無需任何修改，再經DDK編譯后使用，軟件開發者大量的時間主要集中在應用程序和固件的開發上。本設計所用的USB設備驅動程序就是對FX2開發包所帶的驅動程序做了一些修改，主要是修改了DeviceIoControl例程，增加了控制數據傳輸函數、啟動和停止AD、復位FIFO等。

3．3 應用程序設計

用戶程序是USB系統與用戶的接口，其關鍵是實現從USB外設讀取或發送USB設備請求、命令和特定量的數據等，并對數據進行一系列處理（如存儲、顯示等）。在編寫用戶程序時，首先要建立與外設的連接，然后才能實施數據的傳輸。

本設計使用的是C++Builder6編譯環境，在C++Builder6環境下通過API函數去調用USB驅動?；静襟E為：首先打開設備的句柄；然后進行讀／寫和控制操作；最后關閉設備句柄。程序中主要用到的兩個API函數CreatFile（）和DeviceloControl（）就是通過該句柄實現數據傳輸的。

4、結語

本文詳細介紹了基于USB2．O控制器CY7C68013的GFIF接口軟硬件設計方案。該設計充分利用了CY7C68013芯片的通用可編程接口特性，很大程度上解決了USB2．0設備存在的傳輸瓶頸問題，大大提高了數據傳輸速率。同時，由于利用了芯片的呵編程特性，因此在具備了普通USB接口方式的諸多優點之外，還簡化了外部硬件設計，提高了系統穩定性，有利于PCB板的制作和調試。

經驗證，在USB2．O的高速數據采集與處理系統中，基于USB2．0微控制器CY7C68013的GPIF接口設計是一種比較好的解決傳輸速度問題的方案。

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