摘 要： 采用Cypress公司的CY7C68013芯片设计了通用的USB接口，结合MAX7128的串/并/串转换和光纤收发系统，实现数据的高速传输。介绍了系统的软硬件结构， 详细介绍了固件设计和WDM驱动程序的结构、特性、工作机制、软件流程及与USB设备通信的方法。测试表明，该系统达到了预期的设计目标和实用要求。
USB控制器是以USB串口引擎为主的专用集成电路，并可延伸至对其进行管理的MCU以及相应的软硬件。目前市场上供应的USB控制器主要有2种：带USB接口的单片机(MCU)或纯粹的USB接口芯片。带USB接口的单片机可分为2类：一类是从底层设计专用于USB控制的单片机，如Cypress公司的CY7C63513、CY7C64013等[1]，由于开发工具的专用性，往往应用于各种应用场合，如微机主板等[2-4]；另一类是增加了USB接口的普通单片机，如Intel公司的8X931、8X930以及Cypress公司的EZ-USB，由于均基于8051内核，因而得到了广泛应用。
1 CY7C68013与系统结构简介
Cypress公司的CY7C68013芯片是集成USB2.0协议的微处理器，支持12 Mb/s的全速传输和480 Mb/s的高速传输，具有控制传输、中断传输、块传输和同步传输4种传输方式，内部包括一个增强型8051处理器内核、一个串行接口引擎（SIE）、一个USB收发器、8.5 KB片上RAM和4 KB FIFO存储器以及一个通用可编程接口(GPIF)。8051可工作在48 MHz/24 MHz/12 MHz时钟频率，内部可自动产生480 MHz的频率供USB2.0串行收发引擎使用。由于数据缓冲器与SIE相连接，数据进入收发器后，通过SIE可直接转向FIFO，通过8 bit或16 bit数据接口与外设连接，存取数据。微控制器不参与数据传输，但允许以FIFO或RAM的方式访问这些共享FIFO，从而实现低速控制、高速传输。CY7C68013有GPIF/SLAVE FIFO/GPIO 3种接口模式，本系统采用Slave FIFO接口模式，选用控制传输和块传输2种方式，外部控制器可像普通FIFO一样对FIFO进行读写。
本数据传输系统分为3部分：发送端和接收端、CY7C68013控制器、具有并/串(或串并转换)功能的CPLD芯片（MAX7128）以及光纤传输模块。其中，CY7C68013和MAX7128之间采用并行连接方式，MAX7128与激光发送（接收）模块间是串行连接，如图1(a)所示。
图1(a)中，主机将数据发送到CY7C68013端点FIFO缓冲器中，然后CY7C68013将端点FIFO中的数据分字节放到一组I/O口上，并且使能读信号，MAX7128读取I/O上的逻辑值，当接收512 B后，MAX7128将这512 B的数据从低到高串行发送给激光发送模块；数据经过光纤传输，进入激光接收模块，输出串行信号，通过MAX7128实现串并转换，数据宽度为8 bit，通过CY7C68013的从属FIFO的写入时序即可将数据写入CY7C68013的端点缓冲器中。
USB数据传输接口开发分为4个层次，接口硬件、接口软件、驱动和应用程序如图1(b)所示。
2 固件程序设计
由于高速数据传输不需要固件程序参与，固件程序仅仅处理主机的发送请求。在发送端，固件将数据放置到I/O口上供MAX7128读取；在接收端，MAX7128完成串并转换后，将数据用特定时序写入CY7C68013。此时只需设定寄存器，固件程序相对简单，图2为发送和接收固件程序流程。
CY7C68013芯片固件程序负责处理主（从）机发送来的各种请求，以完成与外围电路间的各种数据传输。本系统固件一共包含九个程序文件，其中的头文件分别定义了CY7C68013中的寄存器名和特殊功能寄存器、通用的CY7C68013常量、数据类型和宏、特殊功能寄存器所需要的同步延迟宏、用来描述CY7C68013状态的各种USB描述符、INT2和INT4中断跳转表等。主函数负责处理标准USB请求和自定义请求，控制整个硬件系统的运行。接收端固件主循环不用做任何操作，与发送端程序流程图完全相同。其固件运行的主程序清单如下，负责处理主机发出的各种USB请求。
……
TD_Init()；//初始化用户设备
EZUSB_IRQ_ENABLE()；//使能USB中断（INT2)
EZUSB_ENABLE_RSMIRQ()；//使能唤醒中断
INTSETUP |=(bmAV2EN | bmAV4EN)；//使能INT2
//和INT4中断跳转向量
USBIE |=bmSUDAV | bmSUTOK | bmSUSP | bmURES |
bmHSGRANT；//使能所选择的中断
EA=1；//打开8051中断
UsbDisconnect()；
CKCON=(CKCON&(~bmSTRETCH)) | FW_STRETCH_
VALUE；//设为0值
Sleep=FALSE；//清除sleep标志
while(TRUE)//主循环
{
if(GotSUD)//等待SETUP令牌数据的到来
{
ParseControlTransfer()；//处理SETUP令牌数据
GotSUD=FALSE；//清除SUDAV标志
}
if (Sleep)
{
Sleep=FALSE；//清除sleep标志
do
{
EZUSB_Susp()；//置8051为空闲
}
while(!Rwuen&&EZUSB_EXTWAKEUP())；
EZUSB_Resume()；//从空闲状态恢复
}
TD_Poll()；//完成用户任务
}
……
需要强调的是：固件程序设计完成后需要进行调试，确保系统硬件正常工作。
(1)工作时钟频率的确定：晶振两引脚对地电压均为1.6 V左右，此时CLKOUT引脚默认输出为24 MHz，当输出48 MHz时，电压为2.5 V。
(2)电平触发中断方式：中断后一定要读上次传输状态寄存器（命令40 H~45 H），以清除中断寄存器中的中断标志，这样中断输出才能变回高电平。
(3)使能端口：接收到Setup包后，必须用ACKsetup命令重新使能端口为低电平。
(4)缓冲区数据标志：在向IN端点写完数据后，必须设置EP2BCH:L，指明缓冲区中的数据有效，示意可以发送到主机。当IN端点的数据被外设读走后，一定要调用OUTPKTEND来清除缓冲区数据，否则无法向IN端点写入数据。
在USB设备枚举的过程中，可采用USB调试工具BusHound软件来抓取它和主机的通信数据进行分析，以检查硬件和固件程序的工作是否正确。
3 驱动程序设计
为了配合CY7C68013的工作，需要有驱动程序以使上位机程序能正常访问USB芯片。以Cypress公司提供的参考程序为基础，增加自定义控制请求即可。
由于驱动程序必须和系统的总线驱动进行通信，系统总线驱动为WDM(Win32 Driver Model)驱动。因此，USB驱动程序采用WDM设备驱动程序[8]。由于USB总线驱动程序（USBD）一般由操作系统提供，负责与实际的硬件打交道，因此，重点是开发USB设备驱动程序（USB Device Driver）。USB设备的WDM驱动程序是通过创建URB(USB请求块)，并向USB总线驱动程序发送包含URB的IRP来实现对USB设备信息的发送和接收。此外，USB设备驱动程序除负责处理应用程序的I/O请求外，还要处理PnP请求。
CY7C68013的驱动程序包括2部分：usbfft.sys，专用于芯片的固件程序；loaderfft.sys，上位机和CY7-
C68013进行通讯的部分，用于实现数据收发功能。这2个部分都存放在上位机上，当系统上电或USB连接时，固件部分将自动到芯片的RAM中供8051执行。
4 应用程序设计
上位机是人机交互的平台，需要良好的操作界面。
应用程序是完成数据发送与接收并且对系统进行有效控制的平台，不仅需要向CY7C68013发送数据，还需要将接收的数据显示出来并保存。此外为了系统测试的方便，增加了误码率和速率测试模块，以测试系统的整体性能。
本系统上位机的主要功能有：(1)文件的发送；(2)文件的接收；(3)速率测试；(4)误码率测试；(5)系统控制，用来获取CY7C68013描述符以及其内部寄存器的情况，并对整个系统进行控制，如使能CY7C68013的数据输出功能及片内数据转移功能等。
系统中定义了6个时间控件来完成数据的发送与接收，timer1、timer3和timer4分别完成文件、误码率及速率测试的发送，Timer2、timer6和timer8分别完成文件、误码率及速率测试的接收。另外定义了一个时间控件来控制开启哪一个接收数据时间控件。为了保证有效判断所接收到的数据是文件、速率测试还是误码率测试数据，在timer1、timer3和timer4发送前都先发送一个512 B的前导包。全为1时表示下一个数据包包含着速率测试数据，全为2时表示下一个数据包包含着误码率测试数据，全为3时表示下一个数据包包含着文件数据。这样就能判断出应该开启哪一个接收时钟。
具体的文件数据处理方法是：文件打开后，先将文件缓冲，定义一个二维数组：行512 B，列由文件大小决定。数组的个512 B前20 B记录所发送文件的大小，并且在开始的5 B以0xAA填充，表明这个数据包是全部文件的开始，当文件大小不足填满的512 B时，数据补0，但数组结尾为0xAA。
采用CY7C68013设计的高速数据传输系统，经过测试，达到了设计要求，实现了数据的高速传输，为下一步开展数据编码/译码、调制/解调研究打下了良好的基础。
[1]. CY7C68013 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CY7C68013_1054335.html.
[2]. CY7C63513 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CY7C63513_818640.html.
[3]. CY7C64013 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CY7C64013_1054088.html.
[4]. EZ-USB datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/EZ-USB_305660.html.
[5]. CPLD datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CPLD_1136600.html.
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