USB2.0接口芯片CY7C68013的固件程序開發(fā)

?摘要：USB2.0接口技術(shù)為外設(shè)與主機(jī)之間提供了一種靈活高效的雙向數(shù)據(jù)通道?？蓮V泛地應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、工業(yè)控制和消費(fèi)數(shù)碼等方面。本文簡(jiǎn)要介紹了支持USB2.0協(xié)議的接口芯片CY7C68013的結(jié)構(gòu)。分析了 CY7C68013芯片的固件程序框架的結(jié)構(gòu)。給出了如何在該固件程序框架下使用C語言進(jìn)行固件程序開發(fā)的方法。?
?? 關(guān)鍵字： USB2.0, 接口，固件程序
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引言：

??? 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求日益提高，在瞬態(tài)信號(hào)測(cè)量、圖像處理等一些高速、高精度的測(cè)量中，需要進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集。USB2.0接口以其高速率、靈活性等優(yōu)點(diǎn)漸有取代傳統(tǒng)的ISA及PCI數(shù)據(jù)總線的趨勢(shì)。與此同時(shí)作為一種靈活而又低廉的接口技術(shù)，USB接口更是以其熱插拔特性成為各種PC外設(shè)的首選接口。因此，圍繞著USB2.0的開發(fā)成為當(dāng)前的一大熱門。
??? 下面將以Cypress公司的CY7C68013芯片為例來探討一下支持USB2.0協(xié)議的固件程序的開發(fā)。

1. 接口芯片CY7C68013簡(jiǎn)介：
CY7C68013芯片是Cypress公司的EZ-USB FX2系列中一種既滿足USB2.0協(xié)議同時(shí)兼容USB1.1協(xié)議的功能強(qiáng)大的接口芯片。其結(jié)構(gòu)如下圖所示[2]：

???????????????????? 圖1?? CY7C68013接口芯片結(jié)構(gòu)

該芯片有如下幾個(gè)特點(diǎn)[2]：
1）?集成有一塊增強(qiáng)型8051內(nèi)核
與普通8051微處理器相比該增強(qiáng)型處理器有如下改進(jìn)：
l?完成每個(gè)指令周期只需4個(gè)時(shí)鐘周期；
l?時(shí)鐘頻率可軟配置為12/24/48MHz；
2）?集成有一個(gè)串行接口引擎(SIE)以及一個(gè)USB2.0收發(fā)器
由于USB2.0收發(fā)器和串行接口引擎完成了USB協(xié)議的封包、解包等功能，屏蔽了底層信號(hào)的電氣特性。
3）?支持軟配置：
采用再次枚舉（ReNumeration）技術(shù)，固件程序可以保存在主機(jī)上，每次上電后通過USB接口將固件下載到芯片RAM中。具有很大的靈活性。
4）?通用可編程接口(GPIF)：
GPIF提供可編程控制的接口時(shí)序，使得無需附加邏輯（glue logic）即能實(shí)現(xiàn)與外圍芯片如DSP、ASIC等的連接，同時(shí)也支持ATAPI、EPP等總線標(biāo)準(zhǔn)。
5）?四個(gè)可編程端口（Endpoint）：
CY7C68013共有7個(gè)輸入輸出端口：EP0、EP1OUT、EP1IN、EP2、EP4、EP6、EP8。其中EP2、EP4、EP6、EP8 分別可以被配置為批量/中斷/同步傳輸模式，傳輸方向均可配置為出/入。
6）?可編程緩沖區(qū)（Buffer）深度：
端口EP2、EP6的緩沖區(qū)大小可編程為512或1024字節(jié)，深度可編程為2/3/4倍大小；端口EP4、EP8的緩沖區(qū)固定為512字節(jié)大小，深度為2倍。采用不同的配置方式，實(shí)現(xiàn)特定帶寬、速率要求的數(shù)據(jù)傳輸。

2．開發(fā)工具：

??? Cypress公司的網(wǎng)站（http://www.cypress.com）上提供了CY7C68013芯片的開發(fā)工具包下載,該開發(fā)包提供了開發(fā)固件程序的所需的一些資源：Keil uVision2集成開發(fā)環(huán)境（限制版）；Cypress C51固件框架程序以及一些例子程序。
??? Keil uVision2 是一個(gè)功能強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境，該開發(fā)環(huán)境集成有C51編譯器和A51匯編器以及BL連接定位器等一系列工具和模擬仿真、調(diào)試器，因此它能夠支持C程序和匯編程序混合的工程，給軟件的開發(fā)帶來很大的便利[5]。
Keil C51是一種專為8051單片機(jī)設(shè)計(jì)的高效率C語言編譯器，符合ANSI標(biāo)準(zhǔn)，生成的程序代碼運(yùn)行速度極高，所需要的存儲(chǔ)空間極小，完全可以個(gè)匯編語言相媲美。同時(shí)，C51具有豐富的庫函數(shù)，多達(dá)100多種功能函數(shù)。因此，采用C語言作為開發(fā)語言以Keil uVision2作為工程開發(fā)平臺(tái)，完成源代碼的編寫、仿真、調(diào)試，將在相當(dāng)程度上降低固件開發(fā)難度、提高開發(fā)效率[4]。

3．固件結(jié)構(gòu)及組成：

??? 固件程序的功能雖然復(fù)雜，在編寫時(shí)需要用到大量的函數(shù)，但其基本結(jié)構(gòu)卻相對(duì)簡(jiǎn)單，包括如下幾個(gè)部分：
3．1設(shè)備描述符表：
??? 每一個(gè)USB設(shè)備在與主機(jī)建立數(shù)據(jù)通信之前必須先向主機(jī)通報(bào)自己的具體配置，包括設(shè)備的廠商、產(chǎn)品識(shí)別號(hào)(VID、PID)，設(shè)備的供電方式以及能量消耗等一系列重要信息。而這些有關(guān)設(shè)備的信息就是通過設(shè)備描述符表來通報(bào)給主機(jī)，從而使主機(jī)采用適當(dāng)?shù)姆绞浇⑴c設(shè)備之間的連接.其結(jié)構(gòu)如下所示：
??? DeviceDscr:??
????? db?? 18?????????????? ;;該描述符長(zhǎng)度（以字節(jié)為單位）
????? db?? DSCR_DEVICE?? ;; 描述符類型
????? ……
????? db?? 1??????????????? ;; 共有幾種配置（1種）
3．2固件程序框架源碼：
??? 該文件提供了一個(gè)固件程序的框架結(jié)構(gòu)，適用于一般的對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂啤Ｔ摻Y(jié)構(gòu)提供了對(duì)開發(fā)者開放的程序接口，開發(fā)者通過在這些接口函數(shù)中加入適當(dāng)?shù)拇a來實(shí)現(xiàn)所需的功能。
??? 其工作流程如圖 2所示，
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????????????????? 圖2????? 固件程序框架工作流程

3．3接口函數(shù)：
??? 在固件程序框架中提供了功能函數(shù)接口，通過在這些接口函數(shù)中加入自行開發(fā)代碼可以實(shí)現(xiàn)特定的功能并大大降低固件程序的開發(fā)難度，加速USB系統(tǒng)開發(fā)的過程。這些接口函數(shù)分三類：任務(wù)分配、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求執(zhí)行和USB總線中斷處理[3]。下面將依次介紹這些接口函數(shù)和用途。
3．3．1任務(wù)分配
??? TD_Init()
說明：此函數(shù)主要是完成FX2的初始化，在FX2再次枚舉和開始任務(wù)分配前被調(diào)用，其目的是初始化各個(gè)端口以及各端口的先入先出緩沖區(qū)。
??? TD_Poll()
??? 說明：此函數(shù)在設(shè)備運(yùn)行時(shí)被重復(fù)的調(diào)用，它應(yīng)包括完成特別任務(wù)的代碼。在該函數(shù)返回前，優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)可能已經(jīng)完成。但是，如果它返回值為假，F(xiàn)X2將不會(huì)影響設(shè)備請(qǐng)求和USB總線設(shè)備掛起事件。如果需要大量的處理時(shí)間，F(xiàn)X2就會(huì)通過多次調(diào)用TD_Poll()函數(shù)將時(shí)間分段。
??? TD_Suspend()
??? 說明：此函數(shù)是在設(shè)備進(jìn)入掛起狀態(tài)前調(diào)用的，開發(fā)者在其中加入適當(dāng)?shù)拇a，對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行配置，可使設(shè)備處于低功耗狀態(tài)并返回真值。但是開發(fā)者可以改動(dòng)TD_Suspend()的程序代碼，使其返回為假，這樣可以使FX2不進(jìn)入掛起狀態(tài)。
??? TD_Resume()
??? 說明：當(dāng)外部要求重新啟動(dòng)時(shí)（如，外界產(chǎn)生Wakeup中斷或者USB總線有傳輸活動(dòng)發(fā)生），設(shè)備就會(huì)通過調(diào)用此函數(shù)來對(duì)處理器進(jìn)行重啟，也就是TD_Suspend()函數(shù)的逆操作。此時(shí)，設(shè)備在正常電源下重新啟動(dòng)。
3．3．2設(shè)備請(qǐng)求
??? 設(shè)備請(qǐng)求函數(shù)具有如下的形式：
??? BOOL DR_xxx(void)
??? {
???????? ……???? file://設(shè)備請(qǐng)求處理代碼
???????? return(TURE);
??? }
主要是完成對(duì)于來自主機(jī)的命令及請(qǐng)求的處理工作，如配置端口等。
3．3．3USB中斷
??? FX2設(shè)備的中斷包括與標(biāo)準(zhǔn)8051中斷相同的中斷同時(shí)也包含一些FX2特有的中斷。由于在固件程序中提供了中斷服務(wù)例程接口，開發(fā)者只須在需要處理的中斷服務(wù)例程接口中加入自己編寫的中斷服務(wù)代碼即可完成對(duì)相應(yīng)中斷請(qǐng)求的服務(wù)，這樣就可以避免深入研究FX2的中斷自動(dòng)引導(dǎo)（Interrupt Autovectors）的邏輯結(jié)構(gòu)[2]。這些中斷服務(wù)例程接口函數(shù)的形式為：
??? void ISR_xxx(void)? interrupt 0
{
??????? ……? file://開發(fā)者中斷服務(wù)代碼
??????? EZUSB_IRQ_CLEAR();
??????? USBIRQ = bmXXX;???????? // 清除該中斷請(qǐng)求
}