USB2.0控制器CY7C68013的接口设计实现

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
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 GPIF 1 引言 USB(Universal Serial Bus)接口以其速度快、功耗低、支持即插即用(Plug %26;amp; 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。 4 结语 本设计利用CY7C68013芯片的ATA接口将普通硬盘转化为具有USB2.0接口的海量存储器,其灵活的接口和可编程特性简化了外部硬件设计,提高了系统稳定性,同时也有利于PCB板的制作和调试。另外,USB设备的可热插拔特性使该系统具有了便携式的特点,而且使用方便,无需关机重启或打开机箱即可进行安装。该系统可采用PIO和UDMA两种模式实现。为了实现UDMA方式,所采用的Conductors导线部分为80-pin,而不是传统的40-pin,但是Cable (也就是排线的连接头部分)还是40-pin。本设计支持全速和高速传输两种状态,如果PC机是USB1.1的,它也能向下兼容USB1.1,而且速度远高于采用纯粹的USB接口芯片加外微处理器所构成的系统。从该方案可以看出,如果采用128TQFP封装的EZ-SUB FX2系列芯片,还可利用其地址线和数据线在此基础上进行其它扩展,从而实现基于硬盘的大容量数据采集与分析。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/others/200703/10029.html
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