摘  要：介紹了DSP" title="DSP">DSP芯片上USB接口" title="USB接口">USB接口的實現(xiàn)。使用USB接口芯片AN2131Q實現(xiàn)DSP和PC機(jī)之間的通信，在AN2131Q和TMS320VC54XX  DSP之間加有FIFO芯片，可提高數(shù)據(jù)的傳榆速度，使最大數(shù)據(jù)傳輸速度超過USB總線的速度。

關(guān)鍵詞：USB  DSP  數(shù)據(jù)傳輸

    通用串行總線USB(Universal Serial Bus)應(yīng)用由三部分組成：具有USB接口的PC系統(tǒng)、能夠支持USB的系統(tǒng)軟件和使用USB接口的設(shè)備。USB應(yīng)用采用通用連接技術(shù)，實現(xiàn)外設(shè)的簡單快速連接，借以達(dá)到方便用戶、降低成本、擴(kuò)展PC機(jī)連接外設(shè)范圍的目的。USB的特點

如下：

    (1)連接靈活、使用方便  現(xiàn)在計算機(jī)系統(tǒng)連接外圍設(shè)備的接口并無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，如鍵盤用PS／2接口，打印機(jī)用25針的并行接口等。USB則將這些不同的接口統(tǒng)一起來，由一組微小的矩型插座和軟件構(gòu)成。用戶插入外設(shè)后，計算機(jī)系統(tǒng)能夠自動識別接人的外設(shè)，而不需

要重新啟動系統(tǒng)，用戶可以帶電插拔；為USB設(shè)計的驅(qū)動程序和應(yīng)用軟件可以自動啟動，無需用戶干預(yù)USB設(shè)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(shè)備爭用PC機(jī)的有限資源。

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

    (3)速度快  USB的最高傳輸率可達(dá)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(jī)平臺上的任何其它類型端口的傳輸速率都快。預(yù)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(shù)據(jù)支持，它可支持異步及等時數(shù)據(jù)傳輸，使電話可與PC機(jī)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(jī)外，因而減少了電子噪音干擾聲音質(zhì)量的機(jī)會，從而使音頻系統(tǒng)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(yōu)

點：

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

    (2)數(shù)據(jù)吞吐量完全達(dá)到USB協(xié)議要求，可以向用戶提供足夠的端口、緩沖區(qū)和傳輸速度；提供USB協(xié)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(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

    (3)片上的串行接口處理機(jī)(SIE)完成大部分的USB協(xié)議操作，使用戶可以擺脫復(fù)雜的協(xié)議細(xì)節(jié)，簡化了用戶配置代碼，加快了開發(fā)過程。

    (4)內(nèi)嵌增強(qiáng)型8051處理器，兼容8051指令系統(tǒng)；一個指令周期僅需四個時鐘周期，可提供標(biāo)準(zhǔn)8051三倍以上的處理能力；雙數(shù)據(jù)指針，方便數(shù)據(jù)塊搬移；使用片內(nèi)RAM作為數(shù)據(jù)／程序存儲器，非復(fù)用數(shù)據(jù)／地址總線，使程序執(zhí)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(tǒng)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(fā)器和PC機(jī)的接口只有四根導(dǎo)線：+5V、GND、D+、D-。數(shù)據(jù)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(fā)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(chǎn)生及檢測、CRC產(chǎn)生及校驗、NRZI數(shù)據(jù)編碼、位填充以及包標(biāo)識產(chǎn)生及解碼等功能塊處理USB通信協(xié)議，并保證傳送到USB電纜上的數(shù)據(jù)字節(jié)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(jī)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(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，8級流水線操作，最高速度可以達(dá)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(shù)據(jù)交換速度超過USB總線的速度，使之不成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，從而使DSP和主機(jī)間的數(shù)據(jù)傳輸速度只受USB協(xié)議限制。

由于AN2131Q芯片內(nèi)嵌8位8051處理器，所以使用兩片8位FIFO芯片實現(xiàn)USB接口和DSP之間的雙向通信。FIFO選用具有1K×9bit內(nèi)存的IDT72V02。從AN2131Q或者DSP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)首先保存在FIFO中，然后再由DSP或者AN2131Q讀走，從而使得數(shù)據(jù)的傳輸不會出現(xiàn)堵塞情況，其硬件連接框圖如圖2所示。

圖2 DSP和AN2131Q的連接

    由于選用的FIFO只有雙端數(shù)據(jù)總線和狀態(tài)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(tài)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(shù)據(jù)沒有達(dá)到半滿，此時不用查詢FF就可以向FIFO中寫入一塊數(shù)據(jù)，只要數(shù)據(jù)塊的大小等于或小于FIFO容量的一半，F(xiàn)IFO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FIF01的寫、AN2131Q對FIF02的讀、DSP對FIF01的讀、DSP對FIF02的寫。為了描述方便，將FIF01的三個狀態(tài)信號稱之為：EF1、HFl和FF1，將FIF02的狀態(tài)信號稱為EF2、HF2和FF2。

3.1 AN2131Q寫FIF01 

    當(dāng)USB總線上有數(shù)據(jù)要傳送至DSP時，AN2131Q查詢HFl。若HFl無效，AN2131Q一次向FIF01寫入一個數(shù)據(jù)包。包大小要小于或等于FIF01容量的一半，寫每一個字節(jié)時不需再查詢FFl。

3.2 DSP讀FIF01 

    DSP每次從FIF01中讀人一個數(shù)據(jù)包。每讀一個字節(jié)前，DSP需要查詢EFl，只有當(dāng)EFl無效(FIF01不空)時，DSP才可能進(jìn)行讀操作。

3.3 DSP寫FIF02 

    當(dāng)DSP有數(shù)據(jù)要傳送至主機(jī)時，DSP把數(shù)據(jù)打包，每次向FIF02中寫入一包數(shù)據(jù)。方法同AN2131Q寫FIF01，只不過DSP查詢的信號是HF2。寫完一包后，DSP向AN2131Q發(fā)一個中斷信號，DSP在寫下一包數(shù)據(jù)時要等待AN2131Q的應(yīng)答。AN2131Q應(yīng)答的方法是利用DSP的外部中斷INTl中斷DSP。

3.4 AN2131Q讀FIF02 

    AN2131Q收到DSP發(fā)出的中斷信號，應(yīng)答DSP后，從FIF02中讀人一包數(shù)據(jù)，不用再查詢EF2。

3.5數(shù)據(jù)包格式 

每個數(shù)據(jù)包由包頭和數(shù)據(jù)兩部分構(gòu)成，如圖3所示。包頭長度為一個字節(jié)，指明以字節(jié)為單位包中數(shù)據(jù)(不含包頭)的長度。包中的數(shù)據(jù)要少于或等于64字節(jié)，即最大的包總長度為65字節(jié)。

圖3數(shù)據(jù)包格式

3.6 DSP中斷AN2131Q的方法 

通過操作控制字向AN2131Q發(fā)一個負(fù)脈沖，下降沿有效，時序要求如圖4所示。

圖4  中斷信號時序圖

3.7 DSP讀FIFO狀態(tài) 

    方法一是DSP通過讀I／0地址OXXX XXXX XXXX X010b可獲得狀態(tài)信號EFl和HF2。方法二是DSP通過置TMS320VC5409狀態(tài)寄存器STl中的XF位，從BIO引腳上獲取狀態(tài)信號。當(dāng)XF置1時，BIO引腳反映HF2的電平，當(dāng)XF置0時反映EFl的電平。

4 AN2131Q芯片驅(qū)動程序的實現(xiàn) 

    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(tài)地改變設(shè)備性能。AN2131Q芯片內(nèi)部有不可改變的存儲單元存放特有的代理號(VID)和產(chǎn)品號(PID)，VID／PID將綁定主機(jī)中的某個設(shè)備驅(qū)動程序，而該驅(qū)動程序的唯一任務(wù)就是向AN2131Q下載程序代碼。

用戶需要編寫三個程序來實現(xiàn)USB設(shè)備的使用。—個是負(fù)責(zé)USB接口調(diào)用程序，用于PC機(jī)識別USB設(shè)備；另一個是安裝USB的信息文件，用于對USB設(shè)備的一些說明；第三個是AN2131Q使用的程序，用于對數(shù)據(jù)的傳輸。下面對這三個程序分別做一些簡單的說明。

4.1負(fù)責(zé)USB接口調(diào)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(jìn)制文件轉(zhuǎn)換為可寫入USB RAM中的二進(jìn)制文件。然后將該二進(jìn)制文件拷人模板中，調(diào)用DDK(Device Driver Kit)，在DDK環(huán)境下對模板進(jìn)行編譯，生成驅(qū)動程序的系統(tǒng)文件。USB通過GPD(General Purpose Driver)實現(xiàn)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(shè)備的請求和數(shù)據(jù)傳輸。Cypress的開發(fā)工具包中提供了其開發(fā)面板的源程序，而其開發(fā)面板的設(shè)計就是基于GPD的。這使得開發(fā)者在例子程序的指引下，能快速地編寫出用于通信的應(yīng)

用軟件。GPD的設(shè)計思想是服務(wù)于一般用戶的，其接口函數(shù)具有通用性。通過GPD提供的接口函數(shù)的原型，可以實現(xiàn)各種USB操作。包括實現(xiàn)負(fù)責(zé)USB設(shè)備的請求(即打開USB設(shè)備)；負(fù)責(zé)USB的I／O口控制；通過改變IOCTL(I／O Control Code)實現(xiàn)各種操作。

4.2安裝USB的信息文件 

    安裝文件的任務(wù)就是將驅(qū)動程序文件綁定到特定的VID／PID。主要說明哪一個文件是負(fù)責(zé)USB接口調(diào)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(biāo)準(zhǔn)的USB安裝信息文件。然而用戶還需要將自己對USB設(shè)備的描述(包括說明、版本號、日期、生產(chǎn)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(jī)找到USB設(shè)備后下載到AN2131Q芯片內(nèi)的程序，此程序?qū)崿F(xiàn)AN2131Q對FIFO和USB接口的監(jiān)控和讀寫數(shù)據(jù)。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。

參考文獻(xiàn) 

1 Universal Serial Bus Specification[S]. Compaq、Intel、Microsoft、  NEC Revision，September 23，1998

2 Tms320VC5409 DSP Datasheet．TI，1999