通过CY7C68013微控制器实现数据低速控制、高速传输的设计
usb控制器是以usb串口引擎为主的专用集成电路，并可延伸至对其进行管理的mcu以及相应的软硬件。目前市场上供应的usb控制器主要有2种：带usb接口的单片机（mcu）或纯粹的usb接口芯片。带usb接口的单片机可分为2类：一类是从底层设计专用于usb控制的单片机，如cypress公司的cy7c63513、cy7c64013等，由于开发工具的专用性，往往应用于各种专业应用场合，如微机主板等；另一类是增加了usb接口的普通单片机，如intel公司的8x931、8x930以及cypress公司的ez-usb，由于均基于8051内核，因而得到了广泛应用。
1、 cy7c68013与系统结构简介
cypress公司的cy7c68013芯片是集成usb2.0协议的微处理器，支持12 mb/s的全速传输和480 mb/s的高速传输，具有控制传输、中断传输、块传输和同步传输4种传输方式，内部包括一个增强型8051处理器内核、一个串行接口引擎（sie）、一个usb收发器、8.5 kb片上ram和4 kb fifo存储器以及一个通用可编程接口（gpif）。8051可工作在48 mhz/24 mhz/12 mhz时钟频率，内部可自动产生480 mhz的频率供usb2.0串行收发引擎使用。由于数据缓冲器与sie相连接，数据进入收发器后，通过sie可直接转向fifo，通过8 bit或16 bit数据接口与外设连接，存取数据。微控制器不参与数据传输，但允许以fifo或ram的方式访问这些共享fifo，从而实现低速控制、高速传输。cy7c68013有gpif/slave fifo/gpio 3种接口模式，本系统采用slave fifo接口模式，选用控制传输和块传输2种方式，外部控制器可像普通fifo一样对fifo进行读写。
本数据传输系统分为3部分：发送端和接收端、cy7c68013控制器、具有并/串（或串并转换）功能的cpld芯片（max7128）以及光纤传输模块。其中，cy7c68013和max7128之间采用并行连接方式，max7128与激光发送（接收）模块间是串行连接，如图1（a）所示。
图1（a）中，主机将数据发送到cy7c68013端点fifo缓冲器中，然后cy7c68013将端点fifo中的数据分字节放到一组i/o口上，并且使能读信号，max7128读取i/o上的逻辑值，当接收512 b后，max7128将这512 b的数据从低到高串行发送给激光发送模块；数据经过光纤传输，进入激光接收模块，输出串行信号，通过max7128实现串并转换，数据宽度为8 bit，通过cy7c68013的从属fifo的写入时序即可将数据写入cy7c68013的端点缓冲器中。
usb数据传输接口开发分为4个层次，接口硬件、接口软件、驱动和应用程序如图1（b）所示。
2、 固件程序设计
由于高速数据传输不需要固件程序参与，固件程序仅仅处理主机的发送请求。在发送端，固件将数据放置到i/o口上供max7128读取；在接收端，max7128完成串并转换后，将数据用特定时序写入cy7c68013。此时只需设定寄存器，固件程序相对简单，图2为发送和接收固件程序流程。
cy7c68013芯片固件程序负责处理主（从）机发送来的各种请求，以完成与外围电路间的各种数据传输。本系统固件一共包含九个程序文件，其中的头文件分别定义了cy7c68013中的寄存器名和特殊功能寄存器、通用的cy7c68013常量、数据类型和宏、特殊功能寄存器所需要的同步延迟宏、用来描述cy7c68013状态的各种usb描述符、int2和int4中断跳转表等。主函数负责处理标准usb请求和自定义请求，控制整个硬件系统的运行。接收端固件主循环不用做任何操作，与发送端程序流程图完全相同。其固件运行的主程序清单如下，负责处理主机发出的各种usb请求。
……
td_init（）；//初始化用户设备
ezusb_irq_enable（）；//使能usb中断（int2）
ezusb_enable_rsmirq（）；//使能唤醒中断
intsetup |=（bmav2en | bmav4en）；//使能int2
//和int4中断跳转向量
usbie |=bmsudav | bmsutok | bmsusp | bmures |
bmhsgrant；//使能所选择的中断
ea=1；//打开8051中断
usbdisconnect（）；
ckcon=（ckcon&（“bmstretch）） | fw_stretch_
value；//设为0值
sleep=false；//清除sleep标志
while（true）//主循环
{
if（gotsud）//等待setup令牌数据的到来
{
parsecontroltransfer（）；//处理setup令牌数据
gotsud=false；//清除sudav标志
}
if （sleep）
{
sleep=false；//清除sleep标志
do
{
ezusb_susp（）；//置8051为空闲
}
while（！rwuen&&ezusb_extwakeup（））；
ezusb_resume（）；//从空闲状态恢复
}
td_poll（）；//完成用户任务
}
……
需要强调的是：固件程序设计完成后需要进行调试，确保系统硬件正常工作。
（1）工作时钟频率的确定：晶振两引脚对地电压均为1.6 v左右，此时clkout引脚默认输出为24 mhz，当输出48 mhz时，电压为2.5 v。
（2）电平触发中断方式：中断后一定要读上次传输状态寄存器（命令40 h”45 h），以清除中断寄存器中的中断标志，这样中断输出才能变回高电平。
（3）使能端口：接收到setup包后，必须用acksetup命令重新使能端口为低电平。
（4）缓冲区数据标志：在向in端点写完数据后，必须设置ep2bch指明缓冲区中的数据有效，示意可以发送到主机。当in端点的数据被外设读走后，一定要调用outpktend来清除缓冲区数据，否则无法向in端点写入数据。在usb设备枚举的过程中，可采用usb调试工具bushound软件来抓取它和主机的通信数据进行分析，以检查硬件和固件程序的工作是否正确。
3 、驱动程序设计
为了配合cy7c68013的工作，需要有驱动程序以使上位机程序能正常访问usb芯片。以cypress公司提供的参考程序为基础，增加自定义控制请求即可。
由于驱动程序必须和系统的总线驱动进行通信，系统总线驱动为wdm（win32 driver model）驱动。因此，usb驱动程序采用wdm设备驱动程序。由于usb总线驱动程序（usbd）一般由操作系统提供，负责与实际的硬件打交道，因此，重点是开发usb设备驱动程序（usb device driver）。usb设备的wdm驱动程序是通过创建urb（usb请求块），并向usb总线驱动程序发送包含urb的irp来实现对usb设备信息的发送和接收。此外，usb设备驱动程序除负责处理应用程序的i/o请求外，还要处理pnp请求。
cy7c68013的驱动程序包括2部分：usbfft.sys，专用于下载芯片的固件程序；loaderfft.sys，上位机和cy7-c68013进行通讯的部分，用于实现数据收发功能。这2个部分都存放在上位机上，当系统上电或usb连接时，固件部分将自动下载到芯片的ram中供8051执行。
4、 应用程序设计
上位机是人机交互的平台，需要良好的操作界面。本系统通过vb6.0开发了上位机应用程序，运行界面如图3所示。
应用程序是完成数据发送与接收并且对系统进行有效控制的平台，不仅需要向cy7c68013发送数据，还需要将接收的数据显示出来并保存。此外为了系统测试的方便，增加了误码率和速率测试模块，以测试系统的整体性能。
本系统上位机的主要功能有：（1）文件的发送；（2）文件的接收；（3）速率测试；（4）误码率测试；（5）系统控制，用来获取cy7c68013描述符以及其内部寄存器的情况，并对整个系统进行控制，如使能cy7c68013的数据输出功能及片内数据转移功能等。
系统中定义了6个时间控件来完成数据的发送与接收，timer1、timer3和timer4分别完成文件、误码率及速率测试的发送，timer2、timer6和timer8分别完成文件、误码率及速率测试的接收。另外定义了一个时间控件来控制开启哪一个接收数据时间控件。为了保证有效判断所接收到的数据是文件、速率测试还是误码率测试数据，在timer1、timer3和timer4发送前都先发送一个512 b的前导包。全为1时表示下一个数据包包含着速率测试数据，全为2时表示下一个数据包包含着误码率测试数据，全为3时表示下一个数据包包含着文件数据。这样就能判断出应该开启哪一个接收时钟。
具体的文件数据处理方法是：文件打开后，先将文件缓冲，定义一个二维数组：行512 b，列由文件大小决定。数组的第一个512 b前20 b记录所发送文件的大小，并且在最开始的5 b以0xaa填充，表明这个数据包是全部文件的开始，当文件大小不足填满最后的512 b时，数据补0，但数组结尾为0xaa。
采用cy7c68013设计的高速数据传输系统，经过测试，达到了设计要求，实现了数据的高速传输，为下一步开展数据编码/译码、调制/解调研究打下了良好的基础。
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1、 cy7c68013与系统结构简介
cypress公司的cy7c68013芯片是集成usb2.0协议的微处理器，支持12 mb/s的全速传输和480 mb/s的高速传输，具有控制传输、中断传输、块传输和同步传输4种传输方式，内部包括一个增强型8051处理器内核、一个串行接口引擎（sie）、一个usb收发器、8.5 kb片上ram和4 kb fifo存储器以及一个通用可编程接口（gpif）。8051可工作在48 mhz/24 mhz/12 mhz时钟频率，内部可自动产生480 mhz的频率供usb2.0串行收发引擎使用。由于数据缓冲器与sie相连接，数据进入收发器后，通过sie可直接转向fifo，通过8 bit或16 bit数据接口与外设连接，存取数据。微控制器不参与数据传输，但允许以fifo或ram的方式访问这些共享fifo，从而实现低速控制、高速传输。cy7c68013有gpif/slave fifo/gpio 3种接口模式，本系统采用slave fifo接口模式，选用控制传输和块传输2种方式，外部控制器可像普通fifo一样对fifo进行读写。
本数据传输系统分为3部分：发送端和接收端、cy7c68013控制器、具有并/串（或串并转换）功能的cpld芯片（max7128）以及光纤传输模块。其中，cy7c68013和max7128之间采用并行连接方式，max7128与激光发送（接收）模块间是串行连接，如图1（a）所示。
图1（a）中，主机将数据发送到cy7c68013端点fifo缓冲器中，然后cy7c68013将端点fifo中的数据分字节放到一组i/o口上，并且使能读信号，max7128读取i/o上的逻辑值，当接收512 b后，max7128将这512 b的数据从低到高串行发送给激光发送模块；数据经过光纤传输，进入激光接收模块，输出串行信号，通过max7128实现串并转换，数据宽度为8 bit，通过cy7c68013的从属fifo的写入时序即可将数据写入cy7c68013的端点缓冲器中。
usb数据传输接口开发分为4个层次，接口硬件、接口软件、驱动和应用程序如图1（b）所示。
2、 固件程序设计
由于高速数据传输不需要固件程序参与，固件程序仅仅处理主机的发送请求。在发送端，固件将数据放置到i/o口上供max7128读取；在接收端，max7128完成串并转换后，将数据用特定时序写入cy7c68013。此时只需设定寄存器，固件程序相对简单，图2为发送和接收固件程序流程。
cy7c68013芯片固件程序负责处理主（从）机发送来的各种请求，以完成与外围电路间的各种数据传输。本系统固件一共包含九个程序文件，其中的头文件分别定义了cy7c68013中的寄存器名和特殊功能寄存器、通用的cy7c68013常量、数据类型和宏、特殊功能寄存器所需要的同步延迟宏、用来描述cy7c68013状态的各种usb描述符、int2和int4中断跳转表等。主函数负责处理标准usb请求和自定义请求，控制整个硬件系统的运行。接收端固件主循环不用做任何操作，与发送端程序流程图完全相同。其固件运行的主程序清单如下，负责处理主机发出的各种usb请求。
……
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ezusb_irq_enable（）；//使能usb中断（int2）
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value；//设为0值
sleep=false；//清除sleep标志
while（true）//主循环
{
if（gotsud）//等待setup令牌数据的到来
{
parsecontroltransfer（）；//处理setup令牌数据
gotsud=false；//清除sudav标志
}
if （sleep）
{
sleep=false；//清除sleep标志
do
{
ezusb_susp（）；//置8051为空闲
}
while（！rwuen&&ezusb_extwakeup（））；
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}
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}
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（3）使能端口：接收到setup包后，必须用acksetup命令重新使能端口为低电平。
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4、 应用程序设计
上位机是人机交互的平台，需要良好的操作界面。本系统通过vb6.0开发了上位机应用程序，运行界面如图3所示。
应用程序是完成数据发送与接收并且对系统进行有效控制的平台，不仅需要向cy7c68013发送数据，还需要将接收的数据显示出来并保存。此外为了系统测试的方便，增加了误码率和速率测试模块，以测试系统的整体性能。
本系统上位机的主要功能有：（1）文件的发送；（2）文件的接收；（3）速率测试；（4）误码率测试；（5）系统控制，用来获取cy7c68013描述符以及其内部寄存器的情况，并对整个系统进行控制，如使能cy7c68013的数据输出功能及片内数据转移功能等。
系统中定义了6个时间控件来完成数据的发送与接收，timer1、timer3和timer4分别完成文件、误码率及速率测试的发送，timer2、timer6和timer8分别完成文件、误码率及速率测试的接收。另外定义了一个时间控件来控制开启哪一个接收数据时间控件。为了保证有效判断所接收到的数据是文件、速率测试还是误码率测试数据，在timer1、timer3和timer4发送前都先发送一个512 b的前导包。全为1时表示下一个数据包包含着速率测试数据，全为2时表示下一个数据包包含着误码率测试数据，全为3时表示下一个数据包包含着文件数据。这样就能判断出应该开启哪一个接收时钟。
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采用cy7c68013设计的高速数据传输系统，经过测试，达到了设计要求，实现了数据的高速传输，为下一步开展数据编码/译码、调制/解调研究打下了良好的基础。
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