TMS320C54XX DSP和USB接口芯片AN2131Q的接口軟硬件設計

通用串行總線USB（Universal Serial Bus）應用由三部分組成：具有USB接口的PC系統、能夠支持USB的系統軟件和使用USB接口的設備。USB應用采用通用連接技術，實現外設的簡單快速連接，借以達到方便用戶、降低成本、擴展PC機連接外設范圍的目的。USB的特點如下：

（1）連接靈活、使用方便 現在計算機系統連接外圍設備的接口并無統一的標準，如鍵盤用PS/2接口，打印機用25針的并行接口等。USB則將這些不同的接口統一起來，由一組微小的矩型插座和軟件構成。用戶插入外設后，計算機系統能夠自動識別接入的外設，而不需要重新啟動系統，用戶可以帶電插拔；為USB設計的驅動程序和應用軟件可以自動啟動，無需用戶干預USB設備，也不涉及IRQ沖突等問題；USB單獨使用自己的保留中斷，不會同其它設備爭用PC機的有限資源。

（2）為外設提供電源 USB能自動識別外設所需的電源，并通過USB電纜向該設備供電（最高可達500mA）。

（3）速度快 USB的最高傳輸率可達12Mbit/s，比串口速度快100倍，比并口速度快近10倍。USB端口的傳輸速率比目前PC機平臺上的任何其它類型端口的傳輸速率都快。預計今后USB的速度將會提高到100Mbit/s以上。

（4）支持多媒體 USB提供了對電話的兩路數據支持，它可支持異步及等時數據傳輸，使電話可與PC機集成，共享語音郵件及其它功能。由于USB音頻信息生成于計算機外，因而減少了電子噪音干擾聲音質量的機會，從而使音頻系統具有更高的保真度。

1、 USB接口芯片AN2131Q

目前市場上USB接口芯片很多，使用較為廣泛的是Crypress公司的AN2131系列的USB接口芯片AN2131Q。AN2131Q具有以下優點：

（1）基于RAM的“軟”系統解決方案（SOFT，RAM BASED），不需要ROM或其它的固化存儲器，而只使用片內的程序/數據RAM。通過主機下載的方式來配置USB接口，因而使接口系統的修改和升級變得非常簡單，使外設硬件的更新和升級變得更為方便。

（2）數據吞吐量完全達到USB協議要求，可以向用戶提供足夠的端口、緩沖區和傳輸速度；提供USB協議要求的全部四種傳輸方式（控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸），可以滿足用戶對各種類型數據傳輸的需求。

（3）片上的串行接口處理機（SIE）完成大部分的USB協議操作，使用戶可以擺脫復雜的協議細節，簡化了用戶配置代碼，加快了開發過程。

（4）內嵌增強型8051處理器，兼容8051指令系統；一個指令周期僅需四個時鐘周期，可提供標準8051三倍以上的處理能力；雙數據指針，方便數據塊搬移；使用片內RAM作為數據/程序存儲器，非復用數據/地址總線，使程序執行速度更快，并且其同外部器件的連接更加簡單。

（5）休眠模式可以降低系統功耗，延長器件的使用壽命。

AN2131Q的功能框圖如圖1所示。

USB收發器和PC機的接口只有四根導線：+5V、GND、D+、D-。數據以12Mb/s的全速信號或者以1.5Mb/s的低速信號在D+和D信號線上差分傳輸。收發器固化在芯片上，不需要外部電路，最多只需要用來選擇全速或者低速的上拉電阻。

串行接口引擎（SIE）通過包排序、信號產生及檢測、CRC產生及校驗、NRZI數據編碼、位填充以及包標識產生及解碼等功能塊處理USB通信協議，并保證傳送到USB電纜上的數據字節以LSB開頭。

AN2131Q采用通用的8051微控制器及片上RAM，其編程語言為51系列單片機的通用語言，使用方便。

2 、TMS320C54XX DSP和AN2131Q接口芯片的硬件連接

TMS320C54xx DSP芯片選用TI公司的TMS320VC5409，Tms320VC5409是定點DSP芯片，它使用改進的哈佛結構，8級流水線操作，最高速度可以達到166MIPS。

在AN2131Q芯片和TMS320C54xx DSP芯片之間采用FIFO（First In First Out SRAM）芯片連接，可以使USB接口芯片和DSP之間的最大數據交換速度超過USB總線的速度，使之不成為數據傳輸的瓶頸，從而使DSP和主機間的數據傳輸速度只受USB協議限制。

由于AN2131Q芯片內嵌8位8051處理器，所以使用兩片8位FIFO芯片實現USB接口和DSP之間的雙向通信。FIFO選用具有1K×9bit內存的IDT72V02。從AN2131Q或者DSP傳輸的數據首先保存在FIFO中，然后再由DSP或者AN2131Q讀走，從而使得數據的傳輸不會出現堵塞情況，其硬件連接框圖如圖2所示。

由于選用的FIFO只有雙端數據總線和狀態信號，沒有地址總線，所以DSP采用I/O譯碼方式訪問FIFO。FIFO狀態信號有空（EF）、半滿（HF）和滿（FF），它們都是低有效。合理利用這三個信號可以很有效地提高FIFO的讀寫效率。例如利用HF，如果其無效，表示FIFO中的數據沒有達到半滿，此時不用查詢FF就可以向FIFO中寫入一塊數據，只要數據塊的大小等于或小于FIFO容量的一半，FIFO肯定不會滿溢出。這樣就可以大大提高FIFO的寫入速度。

3、 TMS320C54XX DSP芯片和AN2131Q芯片的軟件連接

AN2131Q芯片和TMS320C54XX DSP芯片之間的軟件連接包括四個部分：AN2131Q對FIFO1的寫、AN2131Q對FIFO2的讀、DSP對FIFO1的讀、DSP對FIFO2的寫。為了描述方便，將FIFO1的三個狀態信號稱之為：EF1、HF1和FF1，將FIFO2的狀態信號稱為EF2、HF2和HF2。

3.1 AN2131Q寫FIFO1

當USB總線上有數據要傳送至DSP時，AN2131Q查詢HF1。若HF1無效，AN2131Q一次向FIFO1寫入一個數據包。包大小要小于或等于FIFO1容量的一半，寫每一個字節時不需再查詢FF1。

3.2 DSP讀FIFO1

DSP每次從FIFO1中讀入一個數據包。每讀一個字節前，DSP需要查詢EF1，只有當EF1無效（FIFO1不空）時，DSP才可能進行讀操作。

3.3 DSP寫FIFO2

當DSP有數據要傳送至主機時，DSP把數據打包，每次向FIFO2中寫入一包數據。方法同AN2131Q寫FIFO1，只不過DSP查詢的信號是HF2。寫完一包后，DSP向AN2131Q發一個中斷信號，DSP在寫下一包數據時要等待AN2131Q的應答。AN2131Q應答的方法是利用DSP的外部中斷INT1中斷DSP。

3.4 AN2131Q讀FIFO2

AN2131Q收到DSP發出的中斷信號，應答DSP后，從FIFO2中讀入一包數據，不用再查詢EF2。

3.5 數據包格式

每個數據包由包頭和數據兩部分構成如圖3所示。包頭長度為一個字節，指明以字節為單位包中數據（不含包頭）的長度。包中的數據要少于或等于64字節，即最大的包總長度為65字節。

3.6 DSP中斷AN2131Q的方法

通過操作控制字向AN2131Q發一個負脈沖，下降沿有效，時序要求如圖4所示。

3.7 DSP讀FIFO狀態

方法一是DSP通過讀I/O地址0xxx xxxx xxxx x010b可獲得狀態信號EF1和HF2。方法二是DSP通過置TMS320VC5409狀態寄存器ST1中的XF位，從BIO引腳上獲取狀態信號。當XF置1時，BIO引腳反映HF2的電平，當XF置0時反映EF1的電平。

4 、AN2131Q芯片驅動程序的實現

AN2131Q芯片的一個特點就是能夠按照個人需要通過“下載”和“重列舉”動態地改變設備性能。AN2131Q芯片內部有不可改變的存儲單元存放特有的代理號（VID）和產品號（PID），VID/PID將綁定主機中的某個設備驅動程序，而該驅動程序的唯一任務就是向AN2131Q下載程序代碼。

用戶需要編寫三個程序來實現USB設備的使用。一個是負責USB接口調用程序，用于PC機識別USB設備；另一個是安裝USB的信息文件，用于對USB設備的一些說明；第三個是AN2131Q使用的程序，用于對數據的傳輸。下面對這三個程序分別做一些簡單的說明。

4.1 負責USB接口調用程序

Cypress提供了制作該程序的模板。首先，將KEIL51編譯生成的16進制文件轉換為可寫入USB RAM中的二進制文件。然后將該二進制文件拷入模板中，調用DDK（Device Driver Kit），在DDK環境下對模板進行編譯，生成驅動程序的系統文件。USB通過GPD（General Purpose Driver）實現上層軟件與USB的通信。GPD提供一種用戶模式的界面，完成USB設備的請求和數據傳輸。Cypress的開發工具包中提供了其開發面板的源程序，而其開發面板的設計就是基于GPD的。這使得開發者在例子程序的指引下，能快速地編寫出用于通信的應用軟件。GPD的設計思想是服務于一般用戶的，其接口函數具有通用性。通過GPD提供的接口函數的原型，可以實現各種USB操作。包括實現負責USB設備的請求（即打開USB設備）；負責USB的I/O口控制；通過改變IOCTL（I/O Control Code）實現各種操作。

4.2 安裝USB的信息文件

安裝文件的任務就是將驅動程序文件綁定到特定的VID/PID。主要說明哪一個文件是負責USB接口調用程序，哪一個文件是AN2131Q需要下載的文件。Crypress公司提供了一個標準的USB安裝信息文件。然而用戶還需要將自己對USB設備的描述（包括說明、版本號、日期、生產商等信息）加到安裝信息文件中。

4.3 AN2131Q使用的程序

AN2131Q使用的程序是在PC機找到USB設備后下載到AN2131Q芯片內的程序，此程序實現AN2131Q對FIFO和USB接口的監控和讀寫數據。這個文件因為涉及到下層硬件的連接，不可能提供通用的模板，需要用戶自己編寫。

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