Window XP驱动开发(十一) USB2.0 芯片CY7C68013A+FPGA实现的高速传输系统设计(软件及硬件)

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一、 CY7C68013A芯片介绍

1、 特点

*   USB 2.0 高速(TID # 40460272)

*   单片的集成USB2.0收发器， Smart SIE 且有加强的8051 微处理器.

*   可编程的64Byte 端点。

*   8 bit 或 16 bit 外部数据接口

*  Smart Media 标准 ECC Generation

*  为控制传输的配置和数据端口的分开数据Buffers

*   GPIF（General Programmable Interface）

       使能直接连接到并行串口

       可编程的波形描述符并配置寄存器来定义波形.

       支持RDY输入和CTL输出。

2、  应用

*  便携的视频记录器

*  MPEG/TV 转化器

*  DSL 模块

*  ATA 接口

*  内存读卡器

*  摄像头

*   Home PNA

*   无线的LAN

*   MP3播放器

 

3、 功能概况

3、1 USB 速度

* 全速，12Mbps

* 高速，480Mbps

(不支持低速的传输，1.5 Mbps)

3、2  8051 微处理器

EZ-USB FX2中内嵌的增强型8051微处理器带有256B的数据存储器、扩展的中断系统、3个定时/计数器和2个串口UART。

FX2需外接24MHz的晶振，并匹配20pF的电容接地，经过内部倍频电路，产生48MHz的增强型8051默认工作频率。

FX2还需产生480MHz的时钟脉冲以供USB2.0串行收发使用。

3、2、1  数据存储器

数据存储器分为3个部分：地址范围为00h-7Fh的直接寻址区、地址范围为80h-FFh的特殊功能寄存器区（SFR）和地址范围为80h-ffh的间接寻址区。

3、2、2 中断系统

3、2、3  挂起和复位

在接收到USB总线发出的挂起信号后，增加型8051通过设置其寄存器PCON.0为1，可使EZ-USB FX2进入省电状态，这时FX2的振荡电路将停止工作。

唤醒方法有3种：USB总线的恢复信号、外部信号触发WAKEUP管脚和外部信号解发WU2（WAKEUP）管脚。

EZ-USB FX2 8051的复位信号由主机通过一个寄存器位CPUCS.0控制。在FX2芯片上电时，9051处于各复位状态；待软固件代码下载至芯片的RAM中后，主机

将清除CPUCS.0，使8051脱离复位状态，并开始它的固件程序。

3、3  I2C 总线

3、4  总线

3、5  USB Boot 方法

在上电阶段，查找内部的I2C端口，如果第一byte是0xC0或0xC2,那么它用EEPROM中的VID/PID/DID值；

如果没有EEPROM被找到，那么FX2LP会枚举内部存储的描述符。

默认的ID值是VID/PID/DID（00x4B4, 0x8613,0xAxxx where xxx = 芯片的版本)

 

3、6  枚举

当第刚插入USB时，FX2LP会自动枚举并下载软硬件和USB描述符表。

接下来，FX2LP会再枚举。

3、7 Bus-Powered 应用

3、8  中断系统

3、8、1  INT2中断请求和全能寄存器

FX2LP执行INT2和INT4的自动vector。 总共有27个INT2（USB）vector,和14个INT4 (FIFO/GPIF)vector.

3、8、2  USB中断 Autovcetors

主USB中断被27个中断源共享。FX2LP提供第二层的中断vectoring, 叫Autovectoring.

 3、9  存储空间

EZ-USB FX2的片内存储由3部分组成：主RAM（0x000-0xfFFF）、临时RAM（0xE000-0xE1FF）和寄存器/缓冲器（0xE222-0xFFFF）。如下图。

其中8k字节的RAM被程序存储器和数据存储器所共享；

0.5k字节的临时RAM仅用作为数据存储器；

7.5K字节的寄存器/缓冲器包含FX2控制/状态寄存器和各端点的数据传输缓冲区。

 

3、9、1  片内存储区

在上图中，地址范围为0x0000-0x1FFF的8K字节用于存储8051的程序代码和数据，称为“主RAM“。

3、9、2 片内0xE000-0xFFFF存储区

其中，512字节的临时RAM（0xE000-0xE1FF）仅作为数据存储器，8051固件代码不能在该空间运行；

128字节的0xE400-0xE47F空间用于存储GPIF的4个波形描述符；

0xE600-0xE6FF空间用于保存FX2的控制和状态寄存器；

0xE740-0XE7FF和0xF000-0xFFFF空间作为FX2端点的数据缓冲区，用户可通过寻址RAM方式或FIFO方式来访问。（重点）

2、9、2、1  FX2端点缓冲区

EZ-USB FX2 芯片内部包含3个固定的64字节端点缓冲区（0xE740-0xE7FF）和4KB的可配置端点缓冲区空间（0xF000-0xFFFF），如上图。

3个64字节的缓冲区分别用于EP0、EP1IN和EP1OUT，

4KB的可配置缓冲区用于EP2、EP4、EP6和EP8

（1）其中，端点1支持传输、中断和同步传输，其OUT数据占用缓冲区0xE780-0xE7BF，IN数据占用缓冲区0xE7C0-0xE7FF。

（2）端点0和端点1仅能由FX2的固件程序访问。

（3）端点2、端点4、端点6和端点8是大容量高宽带的数据传输端点，其无需8051固件干涉就可同外围电路完成高速数据传输。

          这4个端点的配置方式非常灵活，以适应不同场合下的带宽要求。见下表。

其中，双重缓冲意味着USB读写一个缓冲区的同时，另一个缓冲区可与外围电路进行数据通信；

三重缓冲增加了第三个数据缓冲区，可供USB端或外围电路使用；

四重缓冲增加了第四个数据缓冲区。

注意：这里的缓冲区按我的理解：如FPGA给的数据太快时会而MCU还没来取数据，那么会先放到缓冲区中，让值不会被覆盖。

 

 

 3、10  I/O系统

EZ-USB FX2提供了两种类型的I/O系统：可编程I/O口和I2C控制器。

I/O口由PA、PB、PC、PD、PE组成，共40个脚。注意：如果是100脚和128脚封装的FX2包含全部5个I/O口，而56脚的仅包含FA、FB和FD。

I2C总线使用SCL和SDA两个管脚。

3、10、1  I/O口

 与EZ-USB不同，FX2的增强型8051使用特殊功能寄存器0Ex（0EA、0EC、0ED、0EE）和IOx（IOA、IOB、IOC、IOD）来控制其I/O管脚。结构如下图：

 

3、10、2  从属FIFO接口模式

为便于端点2、端点4、端点6和端占8的数据缓冲区能更好地和外围电路进行通信，FX2还提供了2种接口模式：

从属FIFO和GPIF。其由寄存器IFCFG控制。

（1）从属FIFO模式。

以下是它的模式结构和外围电路的典型连接图：

 

 

其中IFCLK为接口时钟，可由芯片内部产生（30MHz/48MHz），也可由外部输入（5MHz-48MHz）；

FLAGA-FLAGD为FIFO标志管脚，用于映射FIFO的当前状态；

SLCS#为从属FIFO的片选信号，低电平有效；

FD[15：0]为16位双向数据总线；

FIFOADR[1：0]用于选择和FD连接的端点缓冲区（00代表端点2，01代表端点4，10代表端点6，11代表端点8）

SLOE用于使能数据总线FD的输出；

SLRD和SLWR可分别作为FIFO的读写选通信号；

外围电路可通过使能PKTEND管脚向USB发送一个IN数据包，而不用考虑该包的长度。

（2） GPIF接口模式

在GPIF模式下，EZ-USB FX2可由软件来编程输出读写控制波形。这时，它几乎可对任何通用总线接口进行访问，如ASIC、DSP等。

下图展示了GPIF模式结构和这种模式下FX2和外围电路的典型连接。

其中，GPIFADR[8：0]用于输出9位地址；

IFCLK为接口时钟；

FD[15：0]为16位双向数据总线；（因为是16根数据线过来，所以得把接收FPGA数据的端点的WORDWIDE属性设置为1，不然会数据出错）

CTL[5：0]用于输出可编程的控制信号，如读写选通等；

RDY[5：0]为输入的状态信号。

GSTATE[2：0]用于输出当前GPIF状态码，通常仅在调试时使用。

 

3、11  列举和重列举

与EZ-USB类似，FX2在上电时，首先由“缺省USB设备”进行“列举”，并把8051固件下载到芯片的RAM内；之后8051会脱离复位并开始执行这些代码，

并照固件的内容再一次对设备进行“重列举”。再重列举完成后，对控制端点0的设备请求可FX2缺省USB设备处理（USBCS中的RENUM位为0），

也可由增强型8051的固件代码处理（RENUM为1）。

3、11、1  缺省USB设备

当EZ-USB FX2列举完成后，它将以“缺省USB设备”展现给用户，这时其只含有1个USB配置，该配置中包含1个接口，这个接口具有4种可替换设置

0、1、2 和3，见下表（全速模式）和（高速模式）。

 

3、11、2  端点0对设备请求的响应

在RENUM == 0时，EZ-USB FX2内核可自动对端点0的控制请求做出响应。除支持USB标准设备请求外，其还可以支持一些供应商自定义的请求。

3、11、3  无EEPROM列举模式

当EZ-USB FX2上电并脱离复位状态后，其就会检查芯片的I2C总线上是否连接有串行EEPROM，如果存在，它将读取一个字节以决定其列举模式。

根据是否存在EEPROM及其首字节内容，FX2共有3种列举模式：无串行EEPROM、EEPROM的首字节为0XC0、EEPROM的首字节为0XC2.

 

（1） EEPROM首字节为0XC0的列举模式

它将从EEPROM中读取VID、PID和DID的值，而各种USB描述符仍由FX2芯片内部提供。

下表是这种模式下EEPROM中数据模式，其中地址7为配置字节，用于设置I2C总线的传输速率和USB断开极性（缺省是FX2脱离复位后和USB连接）。

（2） EEPROM首字节为0xC2列表模式

此时VID、PID、DID、各种USB描述符，及其8051代码都由该EEPROM提供。

 

 

 

 

 

 

 

 

二、 系统设计

将CY7C68013A芯片的Slave FIFO块传输接口模式和FPGA技术相结合，实现了计算机与外设之间高速的数据传输。

 1、硬件及外设控制设计

CY7C68013A与外设有三种接口方式：端口模式、可编程接口GPIF和Slave FIFO。

Slave FIFO方式是从机工作方式，在具有外部数据处理逻辑的设备中，USB数据在主机和外部逻辑设备中传输，通常不需要FX2LP的CPU参与，而是经过FX2LP内部端点FIFO来传输。外部控制器可对多个端点的FIFO选择读写。FX2LP的Slave FIFO工作方式可设为同步或异步；工作时钟均可由内部产生或外部输入。基于该系统处理的是高速传输，需要外部控制器直接对FIFO进行控制，故采用从机，即Slave FIFO方式（也就是EX-USB FX2的从属FIFO模式）。高速传输的原理框图如图1所示.

首先图像可由计算机上层应用软件发送或者接收，再通过USB接口芯片连接高速缓存。

 

 

 如图2所示，CY7C68013A的主要功能信号及与FPGA之间的握手信号如：

IFCLK为时钟信号，可以选择由外部输入或者内部输出；

FIFOADR[1：0]引脚选择4个FIFO(2，4，6或8)中的一个与USB数据总线FD连接。

定义该系统中上行数据传输为FIFOADR[1：0]=10，即为EP6端口；

下行数据传输为FIFOADR[1：0]=01，即为EP2端口。

FLAGB，FLAGC为所选择FIFO的标志信号，FLAGB代表FIFO为满；FLAGC代表FIFO为空；默认低电平有效。（具体是哪个端点的满空要看FIFOADR[1:0]指向哪个端点）

FPGA可以通过不断查询这两个标志信号决定是否进行读或写操作。

SLOE(Slave FIFO Output Enable)为读／写使能信号，它使能被选择的宽度的数据；

SLWR，SLRD分别为读写控制信号，在同步和异步模式下，控制信号不一；

FD[15：0]为16位的双向数据总线。PA0，PA1为输出信号，作为硬件系统工作状态的控制信号。

 

原理图（有标的都是FPGA的控制有关的引脚）：

 

 

注： USB_WAKEUP、USB_PA3_WU2要接高，不然会使CY7C68一直在唤醒中，导致VID、PID读取不到因为WU2是一个USB唤醒源，通过WU2EN bit （WAKEUP.1）使能，并通过WU2POL(WAKEUP.1)设置。WU2EN bit时， 通过判断此脚电平唤醒芯片。

项目总结：一开始我们是24LC128，根据下表的匹配，我们把A0接高； 后来发现EERPROM中的数据一直无效。

项目因此耽误了一周。后来发现我们的芯片不是24LC128，而是24C 16。芯片上的铭牌上标有：

ATM 128

24C 16。

真是硬件工程师的马虎，一查资料，这块容量只有2014K Byte。而我的软硬件是3K啊，怪不得每次EEPROM数据无效。（8051从EEPROM中读数据后有做校验）。

没办法，只能换一块了。后来改为AT24C32，有4KByte容量。

 

 

2、 软件设计

图像传输系统的软件设计主要包括三个部分：固件程序设计、驱动程序设计和计算机上层应用软件。

2、1 固件程序设计

固件程序是硬件中的软件部分，通过执行该软件可实现特定的硬件功能，主要包括初始化、处理标准的USB设备请求以及USB挂起时的电源管理等。

步一：固件首先初始化内部的状态变量，然后调用用户初始化函数TD_Init()。

TD_Init函数负责CY7C68013A进行初始化，首先设置时钟为48 MHz，然后设置芯片工作于从属FIFO块传输模式，并配置端点6工作于自动块传输IN，端点2自动块传输OUT模式。

 

 

步二：从该函数返回后，固件初始化USB接口到未配置状态并使能中断。然后每间隔1 s进行一次设备重枚举(请看本文的  3、11  列举和重列举 )，直到端点0接收到一个SETUP包。

步三：任务分发。一旦检测到SETUP包，固件函数将开始交互下述任务调度（即一个while循环）：

调用用户函数TD_Poll()轮询所有的设备，判断是否有标准设备请求等待处理，如果有，分析该请求并响应SetupCommand()；

判断USB内核是否收到USB挂起信号（即判断Sleep事件）。如果有，则调用用户函TD_Suspend()。从该函数成功返回TRUE值后， 再检测是否发生USB唤醒事件。

如果未检测到唤醒事件，则处理器进入挂起方式EZUSB_Susp(); ；

如果有唤醒事件，则调用用户函数TD_Resume()，程序继续运行。如果从TD_Suspend函数返回FALSE，则程序继续进行。

// Task dispatcher
void main(void)
{
   DWORD   i;
   WORD   offset;
   DWORD   DevDescrLen;
   DWORD   j=0;
   WORD   IntDescrAddr;
   WORD   ExtDescrAddr;

   // Initialize Global States
   Sleep = FALSE;               // Disable sleep mode
   Rwuen = FALSE;               // Disable remote wakeup
   Selfpwr = FALSE;            // Disable self powered
   GotSUD = FALSE;               // Clear "Got setup data" flag

   // 步一:初始化用户设备
   TD_Init();

   // 步二：从该函数返回后，固件初始化USB接口到未配置状态并使能中断。
   //       然后每间隔1 s进行一次设备重枚举，直到端点0接收到一个SETUP包。
   // The following section of code is used to relocate the descriptor table. 
   // The frameworks uses SUDPTRH and SUDPTRL to automate the SETUP requests
   // for descriptors.  These registers only work with memory locations
   // in the EZ-USB internal RAM.  Therefore, if the descriptors are located
   // in external RAM, they must be copied to in internal RAM.  
   // The descriptor table is relocated by the frameworks ONLY if it is found 
   // to be located in external memory.
   pDeviceDscr = (WORD)&DeviceDscr;
   pDeviceQualDscr = (WORD)&DeviceQualDscr;
   pHighSpeedConfigDscr = (WORD)&HighSpeedConfigDscr;
   pFullSpeedConfigDscr = (WORD)&FullSpeedConfigDscr;
   pStringDscr = (WORD)&StringDscr;

   // Is the descriptor table in external RAM (> 16Kbytes)?  If yes,
   // then relocate.
   // Note that this code only checks if the descriptors START in 
   // external RAM.  It will not work if the descriptor table spans
   // internal and external RAM.
   if ((WORD)&DeviceDscr & 0xC000)
   {
      // first, relocate the descriptors
      IntDescrAddr = INTERNAL_DSCR_ADDR;
      ExtDescrAddr = (WORD)&DeviceDscr;
      DevDescrLen = (WORD)&UserDscr - (WORD)&DeviceDscr + 2;
      for (i = 0; i < DevDescrLen; i++)
         *((BYTE xdata *)IntDescrAddr+i) = *((BYTE xdata *)ExtDescrAddr+i);

      // update all of the descriptor pointers
      pDeviceDscr = IntDescrAddr;
      offset = (WORD)&DeviceDscr - INTERNAL_DSCR_ADDR;
      pDeviceQualDscr -= offset;
      pConfigDscr -= offset;
      pOtherConfigDscr -= offset;
      pHighSpeedConfigDscr -= offset;
      pFullSpeedConfigDscr -= offset;
      pStringDscr -= offset;
   }

   EZUSB_IRQ_ENABLE();            // Enable USB interrupt (INT2)
   EZUSB_ENABLE_RSMIRQ();            // Wake-up interrupt

   INTSETUP |= (bmAV2EN | bmAV4EN);     // Enable INT 2 & 4 autovectoring

   USBIE |= bmSUDAV | bmSUTOK | bmSUSP | bmURES | bmHSGRANT;   // Enable selected interrupts
   EA = 1;                  // Enable 8051 interrupts

#ifndef NO_RENUM
   // Renumerate if necessary.  Do this by checking the renum bit.  If it
   // is already set, there is no need to renumerate.  The renum bit will
   // already be set if this firmware was loaded from an eeprom.
   if(!(USBCS & bmRENUM))
   {
       EZUSB_Discon(TRUE);   // renumerate
   }
#endif

   // unconditionally re-connect.  If we loaded from eeprom we are
   // disconnected and need to connect.  If we just renumerated this
   // is not necessary but doesn't hurt anything
   USBCS &=~bmDISCON;

   CKCON = (CKCON&(~bmSTRETCH)) | FW_STRETCH_VALUE; // Set stretch

   // clear the Sleep flag.
   Sleep = FALSE;

    // 步三：任务分发。一旦检测到SETUP包，固件函数将开始交互下述任务调度
   while(TRUE)               // Main Loop
   {
      // 轮询所有的设
      TD_Poll();

	  // 判断是否有标准设备请求等待处理，如果有，分析该请求并响应SetupCommand()；
      if(GotSUD)
      {
         SetupCommand();          // Implement setup command
         GotSUD = FALSE;          // Clear SETUP flag
      }

      // check for and handle suspend.
      // NOTE: Idle mode stops the processor clock.  There are only two
      // ways out of idle mode, the WAKEUP pin, and detection of the USB
      // resume state on the USB bus.  The timers will stop and the
      // processor will not wake up on any other interrupts.
	  // 判断USB内核是否收到USB挂起信号（即判断Sleep事件）。如果有，则调用用户函TD_Suspend
      if (Sleep)
      {
         if(TD_Suspend())
         { 
            Sleep = FALSE;     // Clear the "go to sleep" flag.  Do it here to prevent any race condition between wakeup and the next sleep.
            // 如果未检测到唤醒事件，则处理器进入挂起方式EZUSB_Susp(); 
			do
            {
               EZUSB_Susp();         // Place processor in idle mode.
            }
            while(!Rwuen && EZUSB_EXTWAKEUP());
            // above.  Must continue to go back into suspend if the host has disabled remote wakeup
            // *and* the wakeup was caused by the external wakeup pin.

            // 8051 activity will resume here due to USB bus or Wakeup# pin activity.
            EZUSB_Resume();   // If source is the Wakeup# pin, signal the host to Resume. 
			// 如果有唤醒事件，则调用用户函数TD_Resume()，程序继续运行
            TD_Resume();
         }   
      }

   }
}

 

固件hex二进制代码下载到CY7C68的的方式有两种：

（1）开机自动将固件程序下载至芯片RAM中，以由增强性8051执行。结合CYPRESS开发包EZ-Loader Drivers以及HEX2C和Windows DDK即可生成所需要固件自动下载程序．sys文件。

（2）还有另一种方式就是将确定正确的hex固件写到EEPROM中，断电开机时每次都从EEPROM中读取。

我们有16K的EEPROM芯片24LC128，这里我们选择第二种方式。

 2、2  驱动程序设计

具体代码请参考我的下一篇文章： <<Window XP驱动开发(十三) 芯片功能驱动端 (代码实现，针对USB2.0 芯片CY7C68013A)>>

USB设备驱动程序负责建立起主机端和设备端的联系。

驱动程序主要有两个：

一、如果是需要自动下载固件hex文件的，那么得自行开发带下载功能的.sys驱动文件。

是开机自动将固件程序下载至芯片RAM中，以由增强性8051执行。结合CYPRESS开发包EZ-Loader Drivers以及HEX2C和Windows DDK即可生成所需要固件自动下载程序．sys文件。

二、如果硬件中带有EEPROM，那么只需要完成上位机应用程序和硬件设备之间的数据传输。其主要包括驱动程序入口例程、即插即用例程、分发例程、电源管理例程和卸载例程。本系统根据通用驱动结合自身需要，在DDK环境下修改编译，生成自己需要的驱动程序。USB上层应用程序都通过I／O控制来访问设备驱动程序。

上层应用程序首先通过调用Win32函数CreaFile()来取得访问设备驱动程序的句柄；然后应用程序使用Win32函数Devi-ceIoControl()来提交I／O控制码，并且为CreatFile()函数返回的设备句柄设置I／O缓冲区。该系统中，设置USB端口缓冲区FIFO为1 024 B，端口非空即读取。保持了传输的连续性，并且每次以帧结构包形式传输，每包的大小为512 B。以实验中为例。每传输大小为245 KB的一幅图像，需要490个包进行传输。