用EZ－USB实现TMS320C6X与主机数据传输

liyf

DSP主要应用于实时和大数据量的信号处理系统，当它与主机进行通信时，数据交换速度和接口的复杂度是系统的一个关键性能指标，因此迫切需要一种能满足高速、简洁要求的通信方式，通用串行总线USb以其高速和内置电源两个特性，对提高设备的性能、降低成本和系统小型化具有很大的实际意义，本系统采用高速DSP（TMS320C6713），配合嵌入USb2.0协议的芯片CY7C68013，实现小规模主从式系统中主机与DSP间的高速通信。经实际验证，系统运行可靠，是一种比较好的高速数据传输与处理的解决方案。
1 USb控制芯片
Cypress公司的EZ－USb FX2系列芯片是最早符合USb2.0协议的微控制器之一。它集成了收发器（transceiver）、串行接口引擎（SIE），增强型的8051内核以及可编程的外围接口（GPIF），FX2系列芯片独特的结构使数据传输速度最高可达到56Mbps，最大程度地满足了USb2.0的带宽。
CY7C68013的结构框图如图1所示。




FX2的端点缓冲区分为大小两组：EP0、EP1（IN）、EP1（OUT）是小端点，大小为64字节，只能由CPU来存取，不能由外部逻辑连接；EP2、EP4、EP6、EP8是大的可配置的端点，EP2和EP4默认为OUT端点，EP6和EP8默认为IN端点。FX2为其大端点提供多种缓冲方式，满足了传输中高带宽的要求，传输过程中EZ－USb FX2从IN缓冲区中读取上传到主机的数据，在OUT缓冲区中写入供外部处理器读取的数据。它具备全速（12Mbps）和高速（480Mbps）两种传输速率，并具有USb协议所规定的4种传输模式，即控制传输（control mode）、中断传输（interrupt mode）、块传输（bulk mode）和等时传输（isochronous mode）。
2 系统硬件构架
2.1 USb与DSP的硬件连接
系统中选用的数字信号处理器是TI公司发布的C6000浮点系列中的TMS320C6713，其峰值处理速度能达到1350MFLOPS（百万次浮点操作/s）。外设资源包括直接存储器访问控制器（DMA），外部存储器接口（EMIF）、串行口、扩展总线或主机口、定时器等。系统中利用其EMIF口，连接可编程逻辑芯片CPLD来扩展USb控制接口。CY7C68013能非常灵活地实现与DSP或MCU的接口。当其作为主设备时，通用可编程接口（GPIF）具有可编程的波形描述符和配置寄存器，能够轻易地兼容绝大多数总线标准，当其作为从设备时，4Kb的大容量FIFO用于数据缓冲，简化了接口的外部硬件设计，可采用同步或异步方式与主设备（如ASIC，DSP等）连接。
在本方案中，使其作为从设备，选用了Slave FIFOs，异步读/写，在这种模式下，DSP可以像读/写普通FIFO一样对CY7C68013内部的多层缓冲FIFO进行读/写。主要信号连接如图2所示。主机（PC）发出命令的同时也由PA3提供中断触发信号给DSP的外部中断引脚6（EXT_INT6）。其上升沿被检测到以后，DSP就进入相应中断服务程序，开始处理USb的传输，DSP通过CPLD对CY7C68013进行读写及使能控制，“或”组合逻辑满足严格的时序要求，FLAGb和FLAGC是CY7C68013内部FIFO的空、满状态标志，PA[0：1]表示PC发送的命令类型。这些信息在CPLD内部整合到数据总线ED[0：15]，DSP开始传输数据包前对其提取判断，TMS320C6713对CY7C68013内部端点（EP）的选择，是通过地址线TEA[2：3]来实现。




2.2 系统总体结构设计
根据上述硬件通信模式搭建基于PC、USb、DSP的主从式系统，当系统上电完成各模块固件配置和硬件初始化后，可由PC发出控制命令，以外部信号触发DSP进入相应的中断处理程序，自动完成数据流USb下载、DSb处理和USb回传的多次循环过程；PC显示处理后的结果。系统总体结构框图如图3所示。




DSP芯片通过片中的EMIF（包括4个存储空间CE[0：3]）为SDRAM，Flash等器件提供接口。SDRAM为同步存储器件，EMIF有专门的控制线和时钟与它进行无缝连接（CE0空间）。这里SDRAM用做数据存储器。
对于C6000系列DSP，调试好的应用程序需要固化，以便系统上电时能自动加载运行。方案中采用Flash启动引导模式，位于EMIF异步接口CE1空间。
复位电路提供系统上电和工作电压异常时的自动复位及人工控制复位。时钟电路为DSP处理模块提供时钟信号。
USb的接口电路提供PC与DSP的高速数据传输通道，接口芯片通过CPLD与外部处理器DSP相连，置于EMIF的CE2空间（通信模式如前所述）。
3 通信模块软件设计
Cypress公司为了简化和加速用户使用EZ－USb FX2芯片进行USb外设的开发过程，特别设计了CY7C68013的开发板，并带有一个开发包，内含一个USb外设所必需的驱动程序、应用程序以及一个完整的固件程序的框架，这个框架可以执行EZ－USb芯片的初始化，USb标准设备请求的处理和USb挂起电源管理服务；用户只需要提供一个USb描述符表，添加其他端点接受和发送数据的通信代码，以及控制外围电路的程序代码即可。
3.1 CY7C68013的固件程序规划
固件程序框架通过几个不同的功能模块，实现了一个简单的互操作任务执行器，首先，通过调用用户的初始化函数td_Init（），初始化所有内部状态变量，之后，程序框架将USb口初始化为未配置状态，并且使能中断，以1s为时间间隔开始重新列举（renumerate）设备，直到端点0收到设置包为止，一旦检测端点0受多一个设置包，固件框架程序就启动执行一个互操作的任务分配器，按照给定的顺序重复执行下面的任务：调用函数td_Poll（），判断是否有标准设备请求等待处理，确定USb核是否报告了USb挂起事件。
主要固件配置如下：
1）配置异步从FIFO（Asynchronous Slave FIFO）模式，接口驱动采用内部的48M赫兹的时钟源。
2）EndPoint4和EndPoint8作为双向传输的管道，分别对应缓冲FIFO4和FIFO8存放USb需要接收与下传的数据，它们均采用批量（bULK）传输方式，相对于其他USb2.0定义的传输方式具有数据可靠、传输速率高等特点，是最常用的传输方式。
3）设置FIFO4、FIFO8为自动方式，即在数据传输过程中无需CY7C68013的8051内核参与，以保证持续、高速、有效的数据传输。
EZ－USb FX2芯片定义了几个特殊寄存器，以辅助固件程序相应设备请求，并向主机传送数据，当设备收到设置包时，USb核会自动将设置数据放入8字节的SETUPbUF缓冲区中，用户只须从中读取设置数据，进行分析来判断请求的类型即可。
方案中部分设备请求代码如下：





读取缓冲区中第2字节由PA[0：1]发送至DSP，作为命令类型标志（00为下传，01为上传，10为处理）；同时PA3口提供外部中断触发信号的上升沿。
固件就绪后通过Cypress公司提供的工具Control Panel加载至EEPROM中，当需要修改固件时，就可以在不改动硬件的情况下将主机上修改好的固件重新下载一次。
3.2 上位机流程
主机应用程序与操作系统相互作用，利用PC丰富的资源，实现显示验证，提高系统的可操作性，当操作系统认为有新设备接入时，就会自动调用相应的设备驱动。另外，该软件需要一个图形用户界面来控制所用的函数，这里采用VC＋＋6.0来编制应用程序，首先调用CreateFile（）打开USb接口设备，获得设备的句柄hDevice，然后计算机通过调用DeviceIoControl（）函数向外设发出。部分程序如下：





myRequest的8个成员变量对应固件配置SETUPbUF缓冲区中8字节的（SETUPDAT）数据，其中value的值表示了主机向DSP发送的命令类型（00/01/10），使DSP配合完成接收，处理及上传的系统过程。





每次调用DeviceIoControl函数传输的数据量仅为1Kb。为了满足大数据量或者整帧图像数据传输的要求，需要循环调用DeviceIoControl（）函数，以下载数据流的过程为例，循环体中的代码如下：





buffer是主机发出数据块的头指针；pby为每次下传数据块的首地址，是随着循环变量i递增的值。同样，上传数据的过程中也有类似的存储操作。
4 系统测试
利用图像序列对此主从式联机系统进行测试。
触发PC机上的界面控件（PA（0：1）＝00），下载10幅经不同程序噪声污染的同一内容的图像，DSP检测到通用外部中断口EXT_INT6的信号（对应USb芯片的PA3）读入数据读取命令类型，将10帧图像数据存入SDRAM空间，之后，上位机继续发出处理命令，DSP检测到PA[0：1]＝10对存储的多帧图像数据进行累加平均，从而提高图像的信噪比，在收到上传命令（PA[0：1]＝01）时，DSP将处理完成的图像回送至PC机显示。
结语

本文详细介绍了通过TMS32C6713的EMIF扩展USb接口的硬件连接、USb2.0固件程序和应用程序的开发以及基于这种通信模式的小型联机系统的构成。经实际验证，系统运行可靠，是一种比较好的高速数据传输与处理的解决方案。