TMS320C54XX DSP和USB接口芯片AN2131Q的接口軟硬件設(shè)計(jì)

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(shí)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(diǎn)如下：

（1）連接靈活、使用方便 現(xiàn)在計(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別接入的外設(shè)，而不需要重新啟動(dòng)系統(tǒng)，用戶可以帶電插拔；為USB設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件可以自動(dòng)啟動(dòng)，無需用戶干預(yù)USB設(shè)備，也不涉及IRQ沖突等問題；USB單獨(dú)使用自己的保留中斷，不會(huì)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(dòng)識(shí)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(tái)上的任何其它類型端口的傳輸速率都快。預(yù)計(jì)今后USB的速度將會(huì)提高到100Mbit/s以上。

（4）支持多媒體 USB提供了對(duì)電話的兩路數(shù)據(jù)支持，它可支持異步及等時(shí)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(jì)算機(jī)外，因而減少了電子噪音干擾聲音質(zhì)量的機(jī)會(huì)，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(diǎn)：

（1）基于RAM的“軟”系統(tǒng)解決方案（SOFT，RAM BASED），不需要ROM或其它的固化存儲(chǔ)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(jí)變得非常簡單，使外設(shè)硬件的更新和升級(jí)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(duì)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(gè)指令周期僅需四個(gè)時(shí)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(chǔ)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(hào)或者以1.5Mb/s的低速信號(hào)在D+和D信號(hào)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(hào)產(chǎn)生及檢測、CRC產(chǎn)生及校驗(yàn)、NRZI數(shù)據(jù)編碼、位填充以及包標(biāo)識(shí)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(diǎn)DSP芯片，它使用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，8級(jí)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(shí)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(huì)出現(xiàn)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(shù)據(jù)總線和狀態(tài)信號(hào)，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(hào)有空（EF）、半滿（HF）和滿（FF），它們都是低有效。合理利用這三個(gè)信號(hào)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(shí)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(huì)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(gè)部分：AN2131Q對(duì)FIFO1的寫、AN2131Q對(duì)FIFO2的讀、DSP對(duì)FIFO1的讀、DSP對(duì)FIFO2的寫。為了描述方便，將FIFO1的三個(gè)狀態(tài)信號(hào)稱之為：EF1、HF1和FF1，將FIFO2的狀態(tài)信號(hào)稱為EF2、HF2和HF2。

3.1 AN2131Q寫FIFO1

當(dāng)USB總線上有數(shù)據(jù)要傳送至DSP時(shí)，AN2131Q查詢HF1。若HF1無效，AN2131Q一次向FIFO1寫入一個(gè)數(shù)據(jù)包。包大小要小于或等于FIFO1容量的一半，寫每一個(gè)字節(jié)時(shí)不需再查詢FF1。

3.2 DSP讀FIFO1

DSP每次從FIFO1中讀入一個(gè)數(shù)據(jù)包。每讀一個(gè)字節(jié)前，DSP需要查詢EF1，只有當(dāng)EF1無效（FIFO1不空）時(shí)，DSP才可能進(jìn)行讀操作。

3.3 DSP寫FIFO2

當(dāng)DSP有數(shù)據(jù)要傳送至主機(jī)時(shí)，DSP把數(shù)據(jù)打包，每次向FIFO2中寫入一包數(shù)據(jù)。方法同AN2131Q寫FIFO1，只不過DSP查詢的信號(hào)是HF2。寫完一包后，DSP向AN2131Q發(fā)一個(gè)中斷信號(hào)，DSP在寫下一包數(shù)據(jù)時(shí)要等待AN2131Q的應(yīng)答。AN2131Q應(yīng)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(fā)出的中斷信號(hào)，應(yīng)答DSP后，從FIFO2中讀入一包數(shù)據(jù)，不用再查詢EF2。

3.5 數(shù)據(jù)包格式

每個(gè)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(gè)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)。

3.6 DSP中斷AN2131Q的方法

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

3.7 DSP讀FIFO狀態(tài)

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

4 、AN2131Q芯片驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

AN2131Q芯片的一個(gè)特點(diǎn)就是能夠按照個(gè)人需要通過“下載”和“重列舉”動(dòng)態(tài)地改變設(shè)備性能。AN2131Q芯片內(nèi)部有不可改變的存儲(chǔ)單元存放特有的代理號(hào)（VID）和產(chǎn)品號(hào)（PID），VID/PID將綁定主機(jī)中的某個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，而該驅(qū)動(dòng)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(gè)程序來實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的使用。一個(gè)是負(fù)責(zé)USB接口調(diào)用程序，用于PC機(jī)識(shí)別USB設(shè)備；另一個(gè)是安裝USB的信息文件，用于對(duì)USB設(shè)備的一些說明；第三個(gè)是AN2131Q使用的程序，用于對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸。下面對(duì)這三個(gè)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U(xiǎn)SB RAM中的二進(jìn)制文件。然后將該二進(jìn)制文件拷入模板中，調(diào)用DDK（Device Driver Kit），在DDK環(huán)境下對(duì)模板進(jìn)行編譯，生成驅(qū)動(dòng)程序的系統(tǒng)文件。USB通過GPD（General Purpose Driver）實(shí)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(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)各種USB操作。包括實(shí)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(shí)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(dòng)程序文件綁定到特定的VID/PID。主要說明哪一個(gè)文件是負(fù)責(zé)USB接口調(diào)用程序，哪一個(gè)文件是AN2131Q需要下載的文件。Crypress公司提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的USB安裝信息文件。然而用戶還需要將自己對(duì)USB設(shè)備的描述（包括說明、版本號(hào)、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(duì)FIFO和USB接口的監(jiān)控和讀寫數(shù)據(jù)。這個(gè)文件因?yàn)樯婕暗较聦佑布倪B接，不可能提供通用的模板，需要用戶自己編寫。

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