引言
通用串行總線（USB）具有快速、雙向、大批量傳輸、廉價以及可實現(xiàn)熱插拔等優(yōu)點，Cypress公司的FX2系列芯片之一CY7C68013是最早符合USB2.0標準的微控制器，集成了符合USB2.0的收發(fā)器、串行接口引擎（SIE）、增強型8051內(nèi)核以及可編程的外圍接口，實現(xiàn)基于USB2.0的接口數(shù)據(jù)通信，CY7C68013可配置成3種不同的接口模式；Ports（端口模式）、GPIF Master（可編程接口模式）和Slave FIFO（主從模式），其中，后兩種模式利用其內(nèi)部集成的可以獨立于微處理器而自動處理USB事務(wù)的硬件（USB核），數(shù)據(jù)的傳輸通過執(zhí)行USB本身的協(xié)議來完成，微處理器可不參與數(shù)據(jù)傳輸，從而使數(shù)據(jù)的傳輸速率大大地提高，同時也簡化了固件代碼的編寫。后兩種方式由于克服了微處理器這個帶寬"瓶頸"，因而廣泛應(yīng)用于大批量的數(shù)據(jù)傳輸，如圖像、視頻等信號的采集。
而對前一種Ports（端口模式），文獻中介紹較少，作為一種最基本的數(shù)據(jù)傳輸方式，其數(shù)據(jù)傳輸主要由固件程序完成，需要CPU的參與，因此數(shù)據(jù)傳輸速率比較低，適用于傳輸速率要求不高的場合，而且由于FX2內(nèi)部集成有8051內(nèi)核，對一個剛從單片機的開發(fā)過渡到USB開發(fā)的工程人員來說，也不失是一種有效的數(shù)據(jù)傳輸方式，現(xiàn)以一個工程開發(fā)的實例來詳細說明一下在Ports模式下如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)一雙向傳輸。
1 設(shè)計要求
主機通過USB接口以4KB/s的速率分別向兩個通道發(fā)送數(shù)據(jù)序列，并由外設(shè)的D/A轉(zhuǎn)換器完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，同時，由外部的兩個A/D轉(zhuǎn)換器以400KB/s的采樣率完成數(shù)據(jù)的采集，采集后的數(shù)字信號也經(jīng)USB接口傳送至主機存儲，其中，USB接口芯片采用Cypress公司的CY7C68013，FPGA采用Altera公司的EP1C6Q240C8，圖1為其數(shù)據(jù)的多路傳輸系統(tǒng)框圖。
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2 USB 數(shù)據(jù)多路傳輸硬件
2.1 EZ-USB FX2 CY7C68013
EZ-USB FX2 CY7C68013支持USB2.0數(shù)據(jù)傳輸，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及功能在其他文獻已有詳細的介紹，現(xiàn)針對此芯片在本電路的作用進行簡要的說明，在設(shè)計中主要利用CY7C68013的Ports接口模式完成多路數(shù)據(jù)的傳輸，USB和FPGA之間數(shù)據(jù)和狀態(tài)的傳輸由CY7C68013的IOA接口完成，IOB接口中的IOB0-IOB2口線作為USB和FPGA之間的控制線。CY7C68013內(nèi)部的EP2端口設(shè)置為512字節(jié)雙緩沖、OUT、塊傳輸，作為主機向外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)；EP6端口設(shè)置為512字節(jié)雙緩沖，IN、塊傳輸，作為外設(shè)向數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。
2.2 FPGA芯片EP1C6Q240C8
FPGA采用Altera公司的Cyclone 芯片EP1C6Q240C8。在這里FPGA的作用有3個：其一，給兩路D/A轉(zhuǎn)通道各分配兩個128×8位的RAM區(qū)，作為從主機向外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)的緩存。其二、給兩路A/D轉(zhuǎn)換通道各分配兩個512×8位的RAM區(qū)，作為從外設(shè)向主機傳送數(shù)據(jù)的緩存，由于兩路數(shù)據(jù)的傳輸和采集共用一個8位數(shù)據(jù)總線，因此，數(shù)據(jù)總線要針對不同的接收和發(fā)送來回切換，因而每個通道的兩路分別采用兩個RAM塊，起到雙緩沖作為，以防傳輸時數(shù)據(jù)"溢出"的。其三，由于數(shù)據(jù)總線要針對不同通道來回切換，控制切換的過程由狀態(tài)寄存器來完成，因此，要在FPGA內(nèi)部設(shè)置一個狀態(tài)寄存器，所設(shè)置的狀態(tài)寄存器僅包含兩位，分別標識兩個通道的數(shù)據(jù)RAM的"滿"或"空"的狀態(tài)，以確定當前應(yīng)該為哪一個通道發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。
3 通信協(xié)議的制定
采用CY7C68013的Ports模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，與FIFO和GPIF模式不同，后兩種模式在數(shù)據(jù)傳輸方面主要由USB核完成，所需的控制信號由CY7C68013自身來提供。而對于Ports模式，控制信號沒有專用的口線，那么就必須用其他通用的I/O接口來完成，在此，采用IOB0-IOB2作為USB和FPGA之間的控制線，由于自定義的3條線是通用口線，沒有實際的意義，因此在USB和FPGA之間首先要制定兩者的通信協(xié)議,即給這3條口線賦以實際的功能。
ALE（IOB0）：例如ALE的上升沿，通過IOA端口向FPGA傳送控制指令，例如，當IOA=01H時，表示系統(tǒng)開始工作，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器開始啟動。當IOA=88H時，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，F(xiàn)PGA將不再接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，當IOA=02H時，表示CY7C68013將讀取FPGA內(nèi)狀態(tài)寄存器的內(nèi)容，由讀取兩狀態(tài)標志位的0或1，來判斷兩個通道內(nèi)的4個數(shù)據(jù)緩沖器的"滿"或"空"狀態(tài)，若D/A通道的任一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為"空",則由FPGA向狀態(tài)寄存器的第一個狀態(tài)標志位內(nèi)填1；否則填0；同理，若A/D通道的任一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)為"滿"，則由FPGA向狀態(tài)寄存器的第二個狀態(tài)標志位內(nèi)填1；否則填0；當IOA=03H時，表示主機將通過USB向D/A通道發(fā)送轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，每次發(fā)送256個字節(jié)，前128字節(jié)為D/A轉(zhuǎn)換的1通道，后128字節(jié)為2通道，當IOA=04H時，表示主機將要接收由A/D通道傳送來的數(shù)據(jù)。
RD（IOB1）：利用RD的上升沿通過IOA端口讀取D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換來的數(shù)據(jù)。
WR（IOB2）：利用WR的上升沿通過IOA端口向A/D轉(zhuǎn)換器發(fā)送由主機傳送來的數(shù)據(jù)。
4 軟件的實現(xiàn)
USB與FPGA在Ports模式下數(shù)據(jù)的傳輸，由于是由CY7C68013內(nèi)部的CPU核來實現(xiàn)的，因此，對固件程序的編寫顯得比較重要，總的來說，固件程序的編寫有兩種方式：一是由于CY7C68013的內(nèi)部集成有增強型8051內(nèi)核，對熟悉8051匯編語言的用戶來說，可以直接利用會匯編語言編寫高效的固件代碼；二是Cypress公司EZ-USB FX2系列配套有現(xiàn)成的固件程序框架函數(shù)，用戶需要時，只需添加相應(yīng)的用戶程序即可。當然，用戶程序中的數(shù)據(jù)通信的實現(xiàn)也就是如何完成通信協(xié)議的過程。
在此，采用后者來完成CY7C68013和FPGA的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信功能的部分軟件代碼如下（以下代碼均可寫在框架函數(shù)void TD_Poll（void）內(nèi)）：
5 總結(jié)
CY7C68013和FPGA的數(shù)據(jù)通信中，采用基本的Ports接口模式，利用自動指針方法，通過數(shù)字示波器的觀察，完成1KB的傳送，大約需要750μs。與另外兩種模式相比，雖然數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣容^低，但作為一種數(shù)據(jù)傳輸模式，尤其對剛從單片機開發(fā)過渡到USB開發(fā)的工程人員來說，也不失為一種有效的開發(fā)方式。