基于TMS320C54xx DSP的USB接口实现

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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。