基于TMS320C6416的USB數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

由于DSP芯片的不斷發(fā)展，以及它處理數(shù)據(jù)速度快、處理數(shù)據(jù)量大的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到數(shù)字信號(hào)處理的許多領(lǐng)域。在CT圖像重建系統(tǒng)中，DSP處理的數(shù)據(jù)需要上傳到PC機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示或進(jìn)行數(shù)據(jù)分析等，這就產(chǎn)生了PC機(jī)和DSP的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。USB總線具有傳輸速度高，以及即插即用等特點(diǎn)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，利用USB總線實(shí)現(xiàn)DSP和PC機(jī)的通信，從而解決圖像信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸問(wèn)題。Cypress公司生產(chǎn)的CY7C68001通用USB 2．0接口控制器是基于應(yīng)用層編程的接口器件，使用簡(jiǎn)單，開發(fā)方便。

在此，以TMS320C6416為例，討論如何使用CY7C68001對(duì)TMS32OC6416進(jìn)行USB接口設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)DSP和PC機(jī)通信，將DSP處理過(guò)的圖像信號(hào)實(shí)時(shí)傳到計(jì)算機(jī)中。

1 DSP與USB接口的硬件設(shè)計(jì)

TMS320C6416是TI的高性能32位定點(diǎn)DSP，內(nèi)核采用超長(zhǎng)指令字(VLIW)體系結(jié)構(gòu)，有8個(gè)功能單元、64個(gè)32 b通用寄存器。一個(gè)時(shí)鐘周期同時(shí)執(zhí)行8條指令，主頻可達(dá)1 GHz，處理性能高達(dá)8 000 MIPS，支持8／16／32／64 b的數(shù)據(jù)類型。

CY7C68001用來(lái)連接微處理器或DSP的DMA從裝置，內(nèi)部不含微處理器；支持高速(480 Mb／s)或全速(12 Mb／s)USB數(shù)據(jù)傳輸；提供USB 2．0協(xié)議要求的全部4種傳輸方式(控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸)，可以滿足用戶對(duì)各種類型數(shù)據(jù)傳輸的需求。

1．1 接口的硬件設(shè)計(jì)

在該設(shè)計(jì)方案中，CY7C68001通過(guò)EMIFB與TMS320C6416進(jìn)行異步通信，各個(gè)引腳的連接如圖1所示。DSP控制CY7C68001完成DSP與PC之間的異步通信。CY7C68001的相關(guān)引腳在接口中的作用：INT：表明CY7C68001有數(shù)據(jù)將要被讀出，或者有中斷事件發(fā)生；READY：通知TMS320C6416可以對(duì)CY7C68001進(jìn)行讀寫；FLAGA，F(xiàn)LAGB，F(xiàn)LAGC：反應(yīng)由FAIFOADR[2：0]選擇的FIFO的狀態(tài)；FLAGD：為片選信號(hào)；SLOE為CY7C68001驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)總線；SLRD：并口讀有效信號(hào)，在SLRD有效且同步通信時(shí)，F(xiàn)IFO指針在每個(gè)IFCLK的上升沿遞增；PKTEND：總是高電平，將當(dāng)前的緩沖區(qū)提交給USB；FD[15：0]：數(shù)據(jù)總線；FIFO[2：0]：提供與TMS320C6416接口的FIFO地址選擇。

1．2 接口的訪問(wèn)

CY7C68001提供給DSP兩種軟件接口：

(1)命令接口：用來(lái)訪問(wèn)CY7C68001寄存器、End-point0緩沖器及描述表；

(2)FIFO數(shù)據(jù)接口：用來(lái)訪問(wèn)4個(gè)1 KB的FIFO中的數(shù)據(jù)。通過(guò)編程直接作為FIFO分配給。EP2，EP4，EP6，EP8。這兩個(gè)外部接口均可以通過(guò)同步或異步方式進(jìn)行訪問(wèn)。在此均采用異步的方式進(jìn)行訪問(wèn)，命令口的命令字如下：

在表1中，A／D用于地址／數(shù)據(jù)的選擇，當(dāng)其為0時(shí)，表示本操作為數(shù)據(jù)讀或?qū)?；?dāng)其為1時(shí)，表示本操作為地址寫。R／W用于讀／寫操作的選擇，當(dāng)其為0時(shí)，進(jìn)行寫，當(dāng)其為1時(shí)，進(jìn)行讀。A[5：0]用于地址／數(shù)據(jù)的選擇，當(dāng)Bit7=0時(shí)，D[3：0]為數(shù)據(jù)半字節(jié)；D[5：4]為未用，命令字為8位，故命令字?jǐn)?shù)據(jù)分二次讀出或?qū)懭?；?dāng)Bit7=1時(shí)，D[5：0]包含將要尋址的命令寄存器地址。

2 USB軟件設(shè)計(jì)

USB的軟件設(shè)計(jì)包括三方面：固件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)和主機(jī)端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

2．1 固件設(shè)計(jì)

所有基于微控制器及外圍電路功能設(shè)備的正常工作都離不開固件的參與，固件的作用就是輔助硬件工作。沒(méi)有固件的參與和控制，硬件設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能。USB設(shè)備也不例外，必須編寫固件程序來(lái)輔助硬件完成USB的通信任務(wù)。由于采用不帶MCU內(nèi)核的USB接口芯片，USB的應(yīng)用層協(xié)議應(yīng)該通過(guò)對(duì)TMS320C6416的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)，USB固件的加載必須靠DSP的控制CY7C68001來(lái)完成。在CCS中用C語(yǔ)言完成固件程序的編寫，程序流程圖如圖2所示。

根據(jù)程序流程圖，固件設(shè)計(jì)思路如下：

(1)初始化工作。包括設(shè)置一些特殊功能寄存器的初值，以實(shí)現(xiàn)所需的設(shè)備屬性或功能，例如：配置端口、使能端點(diǎn)、開中斷。該設(shè)計(jì)中，使CY7C68001工作于異步FIFO模式，將4 KB的FIFO對(duì)應(yīng)到兩個(gè)端點(diǎn)(Endpoint)，即Endpoint2和Endpoint6。

(2)輔助硬件完成設(shè)備的重新列舉過(guò)程。包括模擬設(shè)備的斷開與重新連接，對(duì)接收到的設(shè)置包進(jìn)行分析判斷，從而對(duì)主機(jī)的設(shè)備請(qǐng)求做出適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)，完成主機(jī)對(duì)設(shè)備的配置任務(wù)。

(3)對(duì)中斷的處理。CY7C68001有6個(gè)中斷源，可以分別通過(guò)中斷使能對(duì)寄存器的各位進(jìn)行設(shè)置。一旦中斷事件發(fā)生，CY7C68001的INT引腳就被置低，并且置中斷使能寄存器的相應(yīng)位(即中斷使能寄存器同時(shí)充當(dāng)中斷標(biāo)志寄存器，中斷使能寄存器具有讀寫屬性)。當(dāng)中斷發(fā)生時(shí)，中斷標(biāo)志寄存器的狀態(tài)字映射到FD[7：0]；中斷發(fā)生后。DSP對(duì)CY7C68001簡(jiǎn)單的一次讀操作即可獲取中斷信息，識(shí)別中斷源并進(jìn)行相應(yīng)處理。相對(duì)于中斷標(biāo)志寄存器的讀操作，其他對(duì)CY7C68001寄存器的讀操作通常要先發(fā)送一次請(qǐng)求，并且收到READY響應(yīng)后．才可以讀取數(shù)據(jù)。

(4)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。在讀數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)首先判斷CY7C68001的FIFO2是否為空，如果不為空，才將數(shù)據(jù)讀進(jìn)來(lái)。在寫數(shù)據(jù)時(shí)，還要判斷要寫的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)是否為512 B的整倍數(shù)，如果不是，則使用PKTEND信號(hào)來(lái)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)包的結(jié)束。EP2和EP6分別對(duì)應(yīng)存放USB需要上傳與接收的數(shù)據(jù)。其中，EP2為OUT型，負(fù)責(zé)從主機(jī)接收數(shù)據(jù)；EP6為IN型，負(fù)責(zé)向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。EP2和EP6均采用批量(BULK)傳輸方式，這種傳輸方式具有數(shù)據(jù)可靠，傳輸速率高等特點(diǎn)，特別適合大批量數(shù)據(jù)傳輸。部分關(guān)鍵代碼如下：

DSP讀端點(diǎn)2中的數(shù)據(jù)：

2．2 驅(qū)動(dòng)程序

在Windows平臺(tái)下，USB驅(qū)動(dòng)程序由三部分組成：USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、USB總線驅(qū)動(dòng)程序和USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序。它們必須遵循Win32驅(qū)動(dòng)程序模型(WDM)。其中，Windows操作系統(tǒng)已經(jīng)提供了處于驅(qū)動(dòng)程序棧底的USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序和USB總線驅(qū)動(dòng)程序(USBD．SYS)。USB設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序主要是通過(guò)調(diào)用USBD．SYS來(lái)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與USB總線的數(shù)據(jù)交換。USB驅(qū)動(dòng)程序主要完成以下功能：

(1)發(fā)現(xiàn)、配置、關(guān)閉USB設(shè)備。通過(guò)一系列有關(guān)即插即用(Plug and Play)的派遣函數(shù)來(lái)完成。例如Ezusb_PnPAddDevice()，Ezusb_DispatchPnp()等函數(shù)。

(2)驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用函數(shù)的接口。像Ezusb_Creat()，Ezusb_Close()等函數(shù)。應(yīng)用程序調(diào)用Ezusb_Create()后，返回惟一的Windows句柄后，才能調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的其他函數(shù)，完成驅(qū)動(dòng)程序?qū)Y7C68001的一系列操作和數(shù)據(jù)傳送。應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用API函數(shù)CreateFile()來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)Ezusb_Create()的訪問(wèn)。

(3)控制與數(shù)據(jù)傳送接口。這是驅(qū)動(dòng)程序的主要部分。它是Windows的異步I／O操作。應(yīng)用程序使用標(biāo)準(zhǔn)Win32API函數(shù)DeviceIoControl()來(lái)執(zhí)行這樣的操作。在驅(qū)動(dòng)一方，這個(gè)DeviceloControl()調(diào)用被轉(zhuǎn)化成一個(gè)帶IRP_MJ_DEVICE_CONTROL功能碼的IRP。像讀取與寫入FIFO數(shù)據(jù)、endpoint0的操作均是通過(guò)異步I／O的方式來(lái)完成的。

2．3 主機(jī)應(yīng)用程序

USB主機(jī)應(yīng)用程序是計(jì)算機(jī)中完成特定功能的程序，其關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)從USB外設(shè)讀取或發(fā)送特定數(shù)量的數(shù)據(jù)、USB標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求和特定的命令等。另外，可以、對(duì)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的處理，如：存儲(chǔ)、顯示、快速傅里葉變換等。主機(jī)應(yīng)用程序的編寫使用VC編譯環(huán)境中的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用程序的編程方法與串口編程類似。首先必須查找設(shè)備，調(diào)用Win32函數(shù)CreateFilea()打開設(shè)備的句柄；然后調(diào)用Win32函數(shù)DeviceloControl()就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫和控制操作；最后關(guān)閉設(shè)備句柄。在VC++6．0中用C++編寫簡(jiǎn)單的上位機(jī)測(cè)試程序，得到測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

3 結(jié) 語(yǔ)

在CT圖像重建系統(tǒng)中，高性能的DSP芯片具有高速的數(shù)據(jù)處理能力，利用設(shè)計(jì)的USB接口，能夠快速方便地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)傳輸。經(jīng)測(cè)試，該設(shè)計(jì)的USB接口傳輸速度可達(dá)35 Mb／s以上，具有較高的實(shí)用價(jià)值和良好的應(yīng)用前景，而且對(duì)于使用其他微處理器開發(fā)基于CY7C68001的USB 2．0接口也有很好的借鑒作用。