如何基于DSP進(jìn)行USB接口設(shè)計(jì)？

本文介紹了一種基于DSP的USB 接口設(shè)計(jì)方案，分別從接口的硬件設(shè)計(jì)、接口操作原理、軟件設(shè)計(jì)流程以及中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)等方面進(jìn)行闡述，并利用Cypress 公司提供的USB2.0 接口芯片CY7C68001 實(shí)現(xiàn)了USB2.0 從機(jī)接口設(shè)計(jì)，通過硬件平臺(tái)的搭建和軟件程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了PC 機(jī)與DSP 之間高速雙向地傳輸數(shù)據(jù)。

1 引言

近年來，隨著數(shù)字信號(hào)技術(shù)的發(fā)展，需要處理的數(shù)據(jù)量越來越大，處理的速度也越來越快，因此具有高速性能DSP 芯片的應(yīng)用得到了廣泛重視。而通過DSP 處理的數(shù)據(jù)往往要傳輸給PC 機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和再處理，那么就必須解決DSP 與 PC 機(jī)之間的高速通信問題。本設(shè)計(jì)方案以德州儀器(TI)的C5000 系列DSP 芯片TMS320VC5416為微處理器，利用Cypress公司提供的USB2.0接口芯片CY7C68001 實(shí)現(xiàn)了USB2.0 從機(jī)接口設(shè)計(jì)，從而使PC機(jī)與DSP 通過USB2.0 接口實(shí)現(xiàn)高速雙向地傳輸數(shù)據(jù)。

2 TMS320VC5416 與CY7C68001 EZUSBSX2硬件接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)方案采用PC機(jī)作為上位機(jī)，負(fù)責(zé)USB總線上檢測(cè)到設(shè)備接入并進(jìn)行枚舉、識(shí)別的過程，并且可以通過在PC機(jī)上運(yùn)行應(yīng)用程序來控制數(shù)據(jù)的傳輸。USB芯片作為USB設(shè)備端，連接DSP與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。DSP用于實(shí)現(xiàn)USB協(xié)議，通過DSP編程實(shí)現(xiàn)DSP數(shù)據(jù)通過USB接口與PC機(jī)通信，且USB芯片的描述符寫入及各種命令狀態(tài)的處理均通過DSP編程實(shí)現(xiàn)。

TMS320VC5416 是TI 的一款16bit 定點(diǎn)高性能DSP，由于VC5416的功耗低、性能高，其分開的指令和數(shù)據(jù)空間使該芯片具有高度的并行操作能力，在單周期內(nèi)允許指令和數(shù)據(jù)同時(shí)存取，再加上高度優(yōu)化的指令集，使得該芯片具有很高的運(yùn)算速度，同時(shí)該芯片本身具有豐富的片內(nèi)存儲(chǔ)器資源以及多種片上外設(shè)，因此在工程界得到了廣泛的應(yīng)用。

Cypress 公司的CY7C68001 EZ-USB SX2 是一款高性能、使用方便的USB2.0 接口芯片，滿足USB2.0 協(xié)議，可工作在高速(480Mbps)或全速(12Mbps)模式下，提供一個(gè)控制端點(diǎn)用于處理USB設(shè)備的請(qǐng)求以及四個(gè)可配置端點(diǎn)用于傳輸控制和數(shù)據(jù)信號(hào)，這四個(gè)端點(diǎn)共享一個(gè)4KB的FIFO空間，具備標(biāo)準(zhǔn)的8位或16位外部主機(jī)接口，可無縫連接多種標(biāo)準(zhǔn)微處理器，比方說DSP、ASIC和FPGA等，并可根據(jù)需求設(shè)置為同步或異步接口，片內(nèi)集成鎖相環(huán)(PLL)，該芯片廣泛應(yīng)用于DSL調(diào)制解調(diào)器、MP3、讀卡器、數(shù)碼照機(jī)、掃描儀、打印機(jī)等設(shè)備。

系統(tǒng)的硬件接口設(shè)計(jì)如圖1、圖2所示，兩者通過數(shù)據(jù)、地址總線以及讀、寫信號(hào)線等進(jìn)行通信，CY7C68001的片選信號(hào)連接至TMS320VC5416 的I/O空間片選信號(hào)上，CY7C68001 的FIFO擴(kuò)展在VC5416 的I/O 空間上。

電源部分采用一片1117 將5V 轉(zhuǎn)為3.3V供給CY7C68001EZ-USB SX2，模擬地與數(shù)字地之間采用磁珠連接，復(fù)位部分采用RC電路設(shè)計(jì)，且芯片資料上介紹有典型值100KΩ和0.1μF。

3 接口操作原理

CY7C68001 有兩個(gè)外部接口：

(1) 命令接口：用來訪問CY7C68001 寄存器、Endpoint 0緩沖器，以及描述表。

(2) FIFO數(shù)據(jù)接口：用來訪問4個(gè)1K字節(jié)的FIFO中的數(shù)據(jù)。

這兩個(gè)外部接口均可以通過同步或異步的方式進(jìn)行訪問。

本設(shè)計(jì)采用異步的方式進(jìn)行訪問。根據(jù)圖3 的地址分配，利用TMS320VC5416 的三根高位地址線(A11、A12、A13)連接CY7C68001 的FIFOAD0/1/2，用以選擇FIFO2、FIFO4、FIFO6、FIFO8以及命令接口，其地址表如圖3所示。CY7C68001的地址線FIFOADR[2：0]為100B 時(shí)，選中CY7C68001 的命令口(Command)。通過CY7C68001的命令口，可以訪問37個(gè)寄存器、Endpoint 0緩沖器(64個(gè)字節(jié)FIFO)和描述表(500個(gè)字節(jié)FIFO)等，對(duì)這些寄存器進(jìn)行讀寫方式采用二次尋址方式，即首先通過命令口將要尋址的寄存器的子地址和操作類型(讀或?qū)?寫入，然后再通過命令口將數(shù)據(jù)讀出或?qū)懭胂鄳?yīng)的寄存器。

寫入命令口的內(nèi)容稱為命令字，命令字包含要尋址的寄存器的子地址，或要寫入寄存器的數(shù)據(jù)的高4位或低4位。讀命令口必須要跟在給命令口寫讀命令字之后，讀出的為相應(yīng)寄存器的8位數(shù)據(jù)。所以，寄存器的寫操作由3 個(gè)步驟組成：

4 USB 接口的軟件設(shè)計(jì)

USB接口的軟件設(shè)計(jì)由兩部分組成：一是在PC機(jī)Windows中運(yùn)行USB 2.0 Utility 工具，是一個(gè)Windows 圖形用戶界面軟件，提供CY7C68001 與Windows 操作系統(tǒng)的接口程序，使得CY7C68001的開發(fā)變得簡(jiǎn)單。二是在在DSP中運(yùn)行嵌入式應(yīng)用程序代碼，提供硬件的驅(qū)動(dòng)，用來管理CY7C68001進(jìn)行不同方式的數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)USB2.0 傳輸協(xié)議。

4.1 USB 接口的軟件設(shè)計(jì)流程

USB接口的軟件設(shè)計(jì)，DSP端代碼大致包括DSP芯片初始化(vc5416_init 函數(shù))、USB芯片初始化(sx2_init 函數(shù))、USB芯片配置程序( s x 2 _ s e t u p 函數(shù)) 以及USB 芯片數(shù)據(jù)讀寫程序(sx2_processdata 函數(shù))，程序流程如圖4 所示。

DSP芯片初始化(vc5416_init函數(shù))主要負(fù)責(zé)設(shè)置VC5416的工作頻率，配置SWCR以及SWWSR寄存器，另外本應(yīng)用系統(tǒng)采用一個(gè)GPIO引腳作為68001的復(fù)位信號(hào)，所以還需要對(duì)其進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。

USB芯片初始化(sx2_init函數(shù))主要負(fù)責(zé)清除Buffer緩沖區(qū)以及使能VC5416 的外部中斷INT1，待初始化結(jié)束后發(fā)出READY中斷，此時(shí)DSP將描述符寫入68001，進(jìn)行枚舉過程，待枚舉通過后發(fā)出ENUMOK中斷，枚舉方式可以采用外部EEPROM通過I2C總線上電后從外部導(dǎo)入描述符，也可采用通過運(yùn)行DSP程序從DSP導(dǎo)入到68001，本應(yīng)用系統(tǒng)采用第二種枚舉方式。

USB芯片配置程序(sx2_setup函數(shù))是在命令通道(0節(jié)點(diǎn))收到無法自動(dòng)處理的上位機(jī)請(qǐng)求，68001向VC5416發(fā)出SETUP中斷后執(zhí)行的程序，此時(shí)VC5416 通過對(duì)SETUP寄存器連續(xù)執(zhí)行八次讀操作流程即可得到8字節(jié)請(qǐng)求，系統(tǒng)可以響應(yīng)該請(qǐng)求或STALL該請(qǐng)求。

USB 芯片數(shù)據(jù)讀寫程序(sx2_processdata 函數(shù))即PC 機(jī)與USB從設(shè)備端遵照USB傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

CY7C68001的地址FIFOAD[2：0]為100時(shí)，選中CY7C68001的命令接口。對(duì)于命令接口的讀寫要分兩步進(jìn)行，即在READY有效時(shí)，先通過命令接口寫入要尋址寄存器的子地址和操作類型(讀或?qū)?，之后，在READY再次有效時(shí)分兩次讀寫命令接口，即可讀寫一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。

4.2 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)

DSP使用一個(gè)外部中斷引腳(INT1)與CY7C68001的INT腳相連，USB總線上產(chǎn)生一系列的活動(dòng)，均會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的中斷，一旦中斷產(chǎn)生，DSP 會(huì)從CY7C68001 的Command 口中讀取相應(yīng)的值，來判斷產(chǎn)生的是何種中斷。

CY7C68001 EZ-USB SX2 包括六個(gè)中斷源：SETUP(收到來自于USB 上位機(jī)(PC)發(fā)送過來的Set-up 包時(shí)產(chǎn)生的中斷)、EP0BUF(端點(diǎn)0 緩存可用時(shí)產(chǎn)生的中斷)、FLAGS(OUT 端點(diǎn)FIFO的狀態(tài)從空變?yōu)榉强諘r(shí)產(chǎn)生的中斷)、ENUMOK(SX2枚舉完成后產(chǎn)生的中斷)、BUSACTIVITY(SX2檢測(cè)到總線活動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的中斷)以及READY(SX2上電并且復(fù)位完畢后產(chǎn)生的中斷)，每一個(gè)中斷源都可以通過置位或清除INTENABLE寄存器中相應(yīng)位來使能或禁止。

CY7C68001芯片采用中斷緩沖機(jī)制，每次只會(huì)有一個(gè)中斷源，其他中斷源只有在上一個(gè)中斷被讀走后才會(huì)發(fā)出新的中斷請(qǐng)求。

因此，當(dāng)一個(gè)中斷產(chǎn)生時(shí)，INT引腳為低電平狀態(tài)，同時(shí)中斷狀態(tài)位會(huì)置入命令接口，在進(jìn)入中斷程序后應(yīng)先對(duì)中斷源進(jìn)行判斷，首先判斷是否是讀寄存器所產(chǎn)生的中斷，如果是則將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好標(biāo)志位置1然后返回，否則外部PC通過選通SLRD/SLOE信號(hào)從命令接口中讀取中斷狀態(tài)位來判斷產(chǎn)生的是何種中斷，然后根據(jù)中斷源進(jìn)行相應(yīng)操作，DSP讀取中斷狀態(tài)位后自動(dòng)清除中斷標(biāo)志位。

5 結(jié)束語

基于上述方法實(shí)現(xiàn)的USB接口電路，為DSP構(gòu)筑與PC機(jī)之間的高速雙向傳輸通路。通過硬件平臺(tái)的搭建和軟件程序的實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了該接口電路可以滿足高速信號(hào)處理的數(shù)據(jù)傳輸要求，并具有速度快和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，相信隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展以及基于USB2.0 協(xié)議的芯片的普遍應(yīng)用，基于USB的接口技術(shù)將得到更加廣泛的應(yīng)用。