USB2.0控制器CY7C68013的接口设计实 下载本文

内容发布更新时间 : 2025/1/7 6:01:54星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

摘要:介绍了一种基于usb2.0控制器cy7c68130的usb-ata接口,将普通硬盘转化为usb mass -storage的解决方案,文中给出了利用gpif实现该方案的相关设计方法。 关键词:usb2.0 ata接口 cy7c68130 gpif1 引言usb(universal serial bus)接口以其速度快、功耗低、支持即插即用(plug & play)、使用安装方便等优点而得到了广泛的应用。目前usb2.0标准的传输速度已达480mb/s,这使得usb可以推广到硬盘、信息家电网络产品和其它快速外设。在某些应用场合,如基于硬盘的大容量数据采集与分析系统中,为了使用方便,需要将普通硬盘转化成海量存储器,这样在使用时就不需关机重启或打开机箱来安装。本文介绍一种利用带usb接口的单片机芯片cy7c68013来控制普通硬盘的读写,从而半普通硬盘转化为usb2.0海量存储器的可行方案,本系统可扩展,完全可用于实现基于硬盘的大容量数据采集与分析系统。2 硬件设计2.1 usb接口芯片本设计选用的是cypress公司的ez-usbfx2系列芯片中的cy7c68013,这是一种带usb接口的单片机芯片,虽然采用低价的8051单片机,但仍然能获得很高的速度。它包括一个8051处理器、一个串行接口引擎(sie)、一个usb收发器、一个8.5kb片上ram、一个4 kb fifo存储器及一个通用可编程接口(gpif)。fx2可提供全面集成的解决方案。它有56ssop、100tqfp、128tqfp三种封装,本设计选用占用电路板空间较少的56ssop封装。如果要进行扩展,也可选用128tqfp封装。

2.2 ata接口ata接口是在st506的基础上改进而成的,它将控制器集成到驱动器中,采用8个端口寄存器(即命令寄存器)来完成对硬盘的读写,ata有两种工作模式:pio模式和dma模式。本设计采用的dma传输模式不需要处理器参与整个数据传输过程,而是由i/o口直接将数据传送到存储器中,从而节约大量的cpu时间以更好的处理其它事件。控制器对硬盘的操作分为两种:8位数据的命令操作和16位数据的数据传输操作。在对硬盘输出控制命令之前,程序需对端口完整输出7字节的命令块。其中前六个端口为参数,最后一个端口为命令码。读写操据端口一般以512字节作为数据块进行。硬盘执行命令后发出中断请求以表示操作结束(结束传输),也可以置控制器状态为空闲,以表示扇区请求传输(数据传输)。最后,由控制器读取硬盘状态寄存器,以检测硬盘操作的成功与否。如操作正常,则进行下一次动作;否则进入错误处理程序。2.3 gpif与ata接口fx2芯片的最主要特点是可通过usb2.0的通用可编程接口(gpif)为特定的应用接口编程,以便使用多种协议完成与外围器件的无缝连接,如eide/atapi,ieee1284,utopia等。其编程可以根据需要进行,且其中不需要cpu的干预,只是通过一些cpu标志和中断即可与增强型8051内核进行通讯。系统结构框图如图1所示。本设计采用“gpif主控”接口模式,并使用portb和portd双向fifo数据线来构成通向四个fx2端点fifo(ep2、ep4、ep6、ep8)的16位数据接口,以用来连接数据线dd[15:0]并进行数据的传送;gpif作为内部主控器与fifo相连,并通过产生用户可编程的控制主控器与fifo相连,并通过产生用户可编程的控制信号ctl[2:0]与外部接口进行通信。同时,gpif还可以通过rdy[1:0]引脚采用外部信号并等待外部事件。由于gpif的运算速度比fifo快得多,因此其时序信号具有很好的编程分辨率。fx2用4个波形描述符来控制各个状态。这些波形描述符可动态的配置给任何一个端点fifo。配置后,gpif将依据波形描述符产生相应的控制逻辑ctl及握手信号rdy来和外界接口,以满足向fifo读写数据的需要。gpif的数据总线可以是8位fd[7:0],也可以是16位fd[15:0],本设计采用16位数据总线。其硬盘读数据控制波形如图2所示。每个波形描述符包含了s0~s6七个有效状态和一个空闲状态。在每个有铲状态对应的时间段里,经过预先设置,gpif可以做出以下几件事件;驱动(使高或低)或浮接ctl输出、采样或驱动fifo的数据总线、增加gpif地址总线的值、增加指向当前fifo指针的值和启动gpifwf(gpif波形)中断。除此之外,在每个状态,gpif还可以对以下几个信号中的任意两个进行采样,它们是:rdyx输入端、fifo状态标志位、内部rdy标志位和传输计数终止标志位。每个gpif动作都由七段组成,每个状态都可以定义为non-decision interval (ndp)或decision point interval(dp)。当某个状

态定义为ndp时,在执行此状态动作时,系统只是用简单的延时来确定产生指定电平的延续时间;而当执行dp状态时,它将根据rdy0、rdy1上的输入信号状态把其中的两个信号相与、相或或者相异,然后根据结果跳转到其它任意一个状态或延迟1~256个ifclk时钟周期。当然也可根据输入端信号进行跳转或延迟。

图2中,在第一个dp时刻,若硬盘中数据已准备就绪,硬盘会传给gpif一个负脉冲信号rdy0,根据此信号,波形将按顺序转入2、3、4状态,并使指向内部fifo的指针在每个时钟上升沿加1,然后依次读取四个数据,读取完数据后再利用ctl0的上升沿启动下一次读写操作。若在状态1时没有出现负脉冲,则直接跳转到状态6,之后重复此波形描述符。在这种情况下,所有的读写及控制逻辑均可通过cy7c68013的gpif以软件编程的方式实现,且控制逻辑的变换非常方便灵活(只需改变接口的一个配置寄存器的值)。gpif波形描述符可用cypress公司的gpif工具gpiftool来进行配置,它是一个可以运行于windows平台的应用程序。3 系统软件设计与实现本系统软件设计包括:固件、应用程序和驱动程序的设计。其中,固件程序是指运行在设备cpu中的程序,是整个程序设计的核心,可采用汇编语言和c语言设计。只有在该程序运行时,外设才能称之为具有给定功能的外部设备。3.1 usb设备固件程序设计设备固件程序的主要功能是控制ez-usb fx2接收并处理usb驱动程序的请求(如请求设备描述符或设置设备状态,请求或设置设备接口等usb2.0标准请求)、控制芯片中应用程序控制指令的接收、控制硬盘数据的读写等。该固件程序除能够使内置的通用可编程接口(gpif)在没有cpu的干涉下通过四个大的端点fifo(ep2、ep4、ep6、ep8)来处理高速宽带外,还有如下固定的工作:配置端点、通过控制端点0来响应主机请求、控制和监测gpif的活动等。其固件程序框图如图形所示。设计时可采用pio和udma两种模式,fx2芯片的bulk端点大小可设置为512字节或1024字节。为实现udma功能,应将gpif中的slave fifo与usb通讯中的端点buffer直接连接,数据的传送不再需要cpu的参考。当buffer写满后,置buffer满标志位,以使gpif停止动作。实际上,也可运用gpif的re-execute功能(重复执行功能)。设定此功能后,gpif可以不经过idle状态而仅根据采样rdy信号即可重复下次动作。直到出现指定的标志位后才停止动作。这项功能一般用于大批量数据的连续读写。如在udma模式下对一个或多个扇区的读写操作。如在udma模式下对一个或多个扇区的读写操作。为了实现udma模式下的crc校验,还需设备特殊寄存器来完成crc校验工作。3.2 驱动程序设计该系统需要两个驱动程度,即通用驱动和下载固件驱动。通用驱动用于完成与外设和用户程序的通信及控制;而下载固件驱动程序则负责在外连接usb总线后把特定的固件程序下载到fx2的ram中使fx2的cpu重启,同时模拟断开与usb总线的连接以完成对外设的重新设置,这种即可使主机能够根据新的设置来安装通用驱动程序,重新格举外设为一个新的usb设备。通用驱动程序一般不需要重新编写,可以使用cypress公司已经编好的驱动ezusb.sys。由于在winsows2000操作系统中已经新增了媒体存储(mass stroage)设备的驱动程序,并可使用批量传输功能,所以可以直接选择bulkusb.sys驱动程序,而下载固件驱动则必须定做。

3.3 用户程序的设计用户程序是系统与用户的接口,这通过通用驱动程序来完成对外设的控制和通信。在编写用户程序时,首先要建立与外设的连接,然后才能实施数据的传输。本设计使用visual basic6. 0编译环境中的api函数来将ati函数包装成一个vb.dll连接程序文件,其编程方法与串口编程类似;首先查找设备,打开设备的句柄,然后进行读写和控制操作,最后关闭设备句柄。程序中主要用到的两个api函数creatfile()和deviceiocontrol()就是根据该句柄完成数据传输的。