基于DSP芯片PC機之間的USB接口設計

1 引言

近年來，隨著數字信號技術的發展，需要處理的數據量越來越大，處理的速度也越來越快，因此具有高速性能DSP 芯片的應用得到了廣泛重視。而通過DSP處理的數據往往要傳輸給PC機進行存儲和再處理，那么就必須解決DSP與PC機之間的高速通信問題。本設計方案以德州儀器(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 實現了USB2.0 從機接口設計，從而使PC機與DSP 通過USB2.0接口實現高速雙向地傳輸數據。

2 TMS320VC5416 與CY7C68001 EZUSBSX2硬件接口設計

系統方案采用PC機作為上位機，負責USB總線上檢測到設備接入并進行枚舉、識別的過程，并且可以通過在PC機上運行應用程序來控制數據的傳輸。USB芯片作為USB設備端，連接DSP與上位機的數據交換。DSP用于實現USB協議，通過DSP編程實現DSP數據通過USB接口與PC機通信，且USB芯片的描述符寫入及各種命令狀態的處理均通過DSP編程實現。

TMS320VC5416是TI的一款16bit 定點高性能DSP，由于VC5416的功耗低、性能高，其分開的指令和數據空間使該芯片具有高度的并行操作能力，在單周期內允許指令和數據同時存取，再加上高度優化的指令集，使得該芯片具有很高的運算速度，同時該芯片本身具有豐富的片內存儲器資源以及多種片上外設，因此在工程界得到了廣泛的應用。

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 協議，可工作在高速(480Mbps)或全速(12Mbps)模式下，提供一個控制端點用于處理USB設備的請求以及四個可配置端點用于傳輸控制和數據信號，這四個端點共享一個4KB的FIFO空間，具備標準的8位或16位外部主機接口，可無縫連接多種標準微處理器，比方說DSP、ASIC和FPGA等，并可根據需求設置為同步或異步接口，片內集成鎖相環(PLL)，該芯片廣泛應用于DSL調制解調器、MP3、讀卡器、數碼照機、掃描儀、打印機等設備。

系統的硬件接口設計如圖1、圖2所示，兩者通過數據、地址總線以及讀、寫信號線等進行通信，CY7C68001的片選信號連接至TMS320VC5416 的I/O空間片選信號上，CY7C68001 的FIFO擴展在VC5416 的I/O 空間上。

電源部分采用一片1117 將5V 轉為3.3V供給CY7C68001EZ-USB SX2，模擬地與數字地之間采用磁珠連接，復位部分采用RC電路設計，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數據接口：用來訪問4個1K字節的FIFO中的數據。

這兩個外部接口均可以通過同步或異步的方式進行訪問。

本設計采用異步的方式進行訪問。根據圖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，選中CY7C68001 的命令口（Command）。通過CY7C68001的命令口，可以訪問37個寄存器、Endpoint 0緩沖器（64個字節FIFO）和描述表（500個字節FIFO）等，對這些寄存器進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（讀或寫）寫入，然后再通過命令口將數據讀出或寫入相應的寄存器。

寫入命令口的內容稱為命令字，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據的高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，讀出的為相應寄存器的8位數據。所以，寄存器的寫操作由3 個步驟組成：

4 USB 接口的軟件設計

USB接口的軟件設計由兩部分組成：一是在PC機Windows中運行USB 2.0 Utility 工具，是一個Windows 圖形用戶界面軟件，提供CY7C68001 與Windows 操作系統的接口程序，使得CY7C68001的開發變得簡單。二是在在DSP中運行嵌入式應用程序代碼，提供硬件的驅動，用來管理CY7C68001進行不同方式的數據處理，從而實現USB2.0 傳輸協議。

4.1 USB 接口的軟件設計流程

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

DSP芯片初始化(vc5416_init函數)主要負責設置VC5416的工作頻率，配置SWCR以及SWWSR寄存器，另外本應用系統采用一個GPIO引腳作為68001的復位信號，所以還需要對其進行相關設置。

USB芯片初始化(sx2_init函數)主要負責清除Buffer緩沖區以及使能VC5416 的外部中斷INT1，待初始化結束后發出READY中斷，此時DSP將描述符寫入68001，進行枚舉過程，待枚舉通過后發出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入描述符，也可采用通過運行DSP程序從DSP導入到68001，本應用系統采用第二種枚舉方式。

USB芯片配置程序(sx2_setup函數)是在命令通道(0節點)收到無法自動處理的上位機請求，68001向VC5416發出SETUP中斷后執行的程序，此時VC5416 通過對SETUP寄存器連續執行八次讀操作流程即可得到8字節請求，系統可以響應該請求或STALL該請求。

USB 芯片數據讀寫程序(sx2_processdata 函數)即PC 機與USB從設備端遵照USB傳輸協議進行數據通信。

CY7C68001的地址FIFOAD[2：0]為100時，選中CY7C68001的命令接口。對于命令接口的讀寫要分兩步進行，即在READY有效時，先通過命令接口寫入要尋址寄存器的子地址和操作類型(讀或寫)，之后，在READY再次有效時分兩次讀寫命令接口，即可讀寫一個字節的數據。

4.2 中斷服務程序設計要點

DSP使用一個外部中斷引腳(INT1)與CY7C68001的INT腳相連，USB總線上產生一系列的活動，均會觸發相應的中斷，一旦中斷產生，DSP 會從CY7C68001 的Command 口中讀取相應的值，來判斷產生的是何種中斷。

CY7C68001 EZ-USB SX2 包括六個中斷源：SETUP(收到來自于USB 上位機(PC)發送過來的Set-up 包時產生的中斷)、EP0BUF(端點0 緩存可用時產生的中斷)、FLAGS(OUT 端點FIFO的狀態從空變為非空時產生的中斷)、ENUMOK(SX2枚舉完成后產生的中斷)、BUSACTIVITY(SX2檢測到總線活動時產生的中斷)以及READY(SX2上電并且復位完畢后產生的中斷)，每一個中斷源都可以通過置位或清除INTENABLE寄存器中相應位來使能或禁止。

CY7C68001芯片采用中斷緩沖機制，每次只會有一個中斷源，其他中斷源只有在上一個中斷被讀走后才會發出新的中斷請求。

因此，當一個中斷產生時，INT引腳為低電平狀態，同時中斷狀態位會置入命令接口，在進入中斷程序后應先對中斷源進行判斷，首先判斷是否是讀寄存器所產生的中斷，如果是則將數據準備好標志位置1然后返回，否則外部PC通過選通SLRD/SLOE信號從命令接口中讀取中斷狀態位來判斷產生的是何種中斷，然后根據中斷源進行相應操作，DSP讀取中斷狀態位后自動清除中斷標志位。

5 結束語

基于上述方法實現的USB接口電路，為DSP構筑與PC機之間的高速雙向傳輸通路。通過硬件平臺的搭建和軟件程序的實現，驗證了該接口電路可以滿足高速信號處理的數據傳輸要求，并具有速度快和可靠性高等優點，相信隨著嵌入式技術的發展以及基于USB2.0 協議的芯片的普遍應用，基于USB的接口技術將得到更加廣泛的應用。