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USB2.0控制器CY7C68013特點(diǎn)與應(yīng)用
摘要：介紹USB2.0協(xié)議以及Cypress公司推出的USB2.0控制器CY7C68013。USB2.0協(xié)議提供480Mb/s的傳輸速度，向下完全兼容流行的USB1.1協(xié)議。CY7C68013是USB2.0的完整解決方案。該芯片包括帶8.5KB片上RAM的高速8051單片機(jī)、4KBFIFO存儲(chǔ)器以及通用可編程接口（GPIF）、串行接口引擎（SIE）和USB2.0收發(fā)器，無需外加芯片即可完成高速USB傳輸，性價(jià)比較高。關(guān)鍵詞：USB2.0高速模式端點(diǎn)
本刊2002年到2、3期已對(duì)EZ-USB單片機(jī)的介紹。本文在此只重點(diǎn)介紹USB2.0的特殊之處以及芯片CY7C68013的主要特點(diǎn)。*
1USB2.0的主要特點(diǎn)
USB協(xié)議的2.0版本于2000年4月推出。支持以下3種速度模式：
低速模式（lowspeed）1.5Mb/s；
全速模式（fullspeed）12Mb/s
高速模式（highspeed）480Mb/s
USB2.0協(xié)議支持現(xiàn)存的所有USB設(shè)備，既可以把USB1.1設(shè)備插入U(xiǎn)SB1.1的PC機(jī)接口，并且在電氣上兼容USB1.1的連接線。
1.1數(shù)據(jù)包
USB傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包的類型用稱之為PacketIds（PIDs）的特定代碼來定義。USB包中共有4種PID類型，如表1所列。
表1USB2.0的數(shù)據(jù)包類型
PID類型PID名稱令牌IN，OUT，SOF，SETUP數(shù)據(jù)DATA0，DATA1，DATA2，MDATA握手ACK，NAK，STALL，NYET特殊類型PRE，ERR，SPLIT，PIN
注：黑體字表示USB2.0增加的PID類型。
在全速模式時(shí)，每個(gè)OUT傳輸發(fā)送OUT數(shù)據(jù)包，不考慮外設(shè)是否處于“忙”狀態(tài)而不能接收數(shù)據(jù)。針對(duì)這種浪費(fèi)帶寬的情況，在高速模式時(shí)推薦使用新的PID類型“PING”。主機(jī)先對(duì)OUT端點(diǎn)發(fā)出個(gè)較短的“PING”令牌，訪問當(dāng)前外設(shè)是否有數(shù)據(jù)文憑間來存放OUT的數(shù)據(jù)包。僅僅當(dāng)外部設(shè)備回答“ACK”時(shí)，主機(jī)才發(fā)送較長(zhǎng)OUT數(shù)據(jù)包。
SETUP鄰牌只用于控制傳輸。它數(shù)據(jù)包中的前8個(gè)字節(jié)。通過這8個(gè)字節(jié)，外設(shè)對(duì)主機(jī)的設(shè)備請(qǐng)求進(jìn)行譯碼。
SOF令牌代表一個(gè)USB幀的開始。
ACK（Acknowlegde）表示成功，數(shù)據(jù)接收無誤。
NAK（NegaviteAcknowlegde）表示忙，得發(fā)。這并不是出錯(cuò)，USB外設(shè)沒有應(yīng)答表示出錯(cuò)。
STALL表示未知錯(cuò)誤，外設(shè)未能理解主機(jī)發(fā)出的設(shè)備請(qǐng)求，可能是外設(shè)端出錯(cuò)，或是主機(jī)訪問并存在的資源。USB協(xié)議提供了從stall狀態(tài)恢復(fù)的方法。
NYET（NotYet）類似于ACK，表示數(shù)據(jù)接收無誤，并且指出外設(shè)還沒準(zhǔn)備好接收下一個(gè)OUT數(shù)據(jù)包。NYETPID只用于在高速模式。
其它PID詳見參考文獻(xiàn)[1]。
1.2幀結(jié)構(gòu)
USB主機(jī)每毫秒向所有的USB設(shè)備發(fā)送1上SOF包（StartofFrame），以此來提供時(shí)間基準(zhǔn)。SOF包括1個(gè)自增的11位幀序號(hào)。FX2隨時(shí)可以從寄存器中讀出這個(gè)范圍在[0～2047]的幀序號(hào)。
地高速模式下（480Mb/s），每個(gè)1ms長(zhǎng)的幀被分成了8個(gè)125μs長(zhǎng)的微幀。每個(gè)微幀也都由一個(gè)SOF包開始。幀序號(hào)還是每個(gè)毫秒自增1次，所以這8個(gè)微幀都含有相同的幀序號(hào)。為了區(qū)別每個(gè)微幀F(xiàn)X2提供1個(gè)只讀的微幀計(jì)數(shù)器，并且FX2能在收到SOF包時(shí)產(chǎn)生1個(gè)中斷請(qǐng)求，即在全速模式下1ms/次，高速模式下125μs/次。
1.3傳輸類型
為了適用480Mb/s的高速數(shù)據(jù)傳輸，USB.0協(xié)議擴(kuò)大了各種傳輸類型數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，與USB1.1的對(duì)照如表2所列。
表2USB2.0與USB1.1數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度的對(duì)照
傳輸類型數(shù)據(jù)包度/BUSB1.1USB2.0控制傳輸8，16，32，6464塊傳輸8，16，32，64512中斷傳輸1～641024同步傳輸10231024
1.4高速模式和全速模式的檢測(cè)
USB2.0規(guī)范要求高速設(shè)備必須能在全速模式下枚舉。每個(gè)高速設(shè)備都在全速模式下開始枚舉過程。當(dāng)與主機(jī)達(dá)成“Chirp”協(xié)議后設(shè)備再切換到高速工作模式下。詳細(xì)內(nèi)容見參考文獻(xiàn)[1]第7章。FX2能自動(dòng)檢測(cè)高速主機(jī)，并切換到高速模式下。
1.5傳輸性能分析
以USB硬盤為例分析USB2.0的高速傳輸性能。圖1為USB2.0與硬盤接口的帶寬分析。
每分轉(zhuǎn)速7200帶有2MB緩存的ATA100硬盤，接口數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)100MB/s，可持續(xù)的有效傳輸速率只有39MB/s。
USB2.0在每個(gè)上微幀中最大可傳輸13個(gè)塊傳輸包，而每個(gè)微幀長(zhǎng)固定為125μs，所以其最大傳輸速率為：512×13×8×1000=53MB/s。
2EX-USBFX2的主要特點(diǎn)
2.1芯片結(jié)構(gòu)
EZ-USBFX2芯片包括1個(gè)8051處理器、1個(gè)串行接口引擎（SIE）、1個(gè)USB收發(fā)器、8.5KB片上RAM、4KBFIFO存儲(chǔ)器以及1個(gè)通用可編程接口（GPIF），如圖2所示。FX2是一個(gè)全面集成的解決方案，它占用更少的電路板空間，并縮短開發(fā)時(shí)間。
EZ-USBFX2擁有1個(gè)獨(dú)特的架構(gòu)，其中包括1個(gè)智能串行接口引擎（SIE）。它執(zhí)行所有基本的USB功能，將嵌入式MCU解放出來以用于實(shí)現(xiàn)專用的功能，并保證其持續(xù)的高性能的傳輸速率。FX2還包括2個(gè)通用可編程接口（GPIF），允許它“無膠粘接”，即可與任何ASIC或DSP進(jìn)行連接，并且它還支持所有通用總線標(biāo)準(zhǔn)，包括ATA、UTOPIA、EPP和PCMCIA。EZ-USBFX2完全適用于USB2.0，并向下兼容USB1.1。
FX2有3種封裝形式：56腳SOPP、100腳的TQFF（薄形四方扁平封裝）、128腳的TQFP。引腳數(shù)的區(qū)別在于輸入、輸出引腳數(shù)的不同，以針對(duì)不同的應(yīng)用要求。
2.2結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
當(dāng)大部分USB1.1器件都需要微控制器參與數(shù)據(jù)從端點(diǎn)FIFOs到應(yīng)用環(huán)境轉(zhuǎn)移，如圖3所示。顯然，微控制器本身的工作頻率在相當(dāng)程度上限制了帶寬的進(jìn)一步提高。雖然在12Mb/s的全速模式下，這種限制并不明顯，但當(dāng)速度提升至480Mb/s時(shí)，在成本嚴(yán)格控制下微控制器就必然成為整個(gè)系統(tǒng)的帶寬并頸。
EZ-USBFX2提供了一種獨(dú)持架構(gòu)，使USB接口和應(yīng)用環(huán)境直接共享FIFO，而微控制器可不參與數(shù)據(jù)傳輸?shù)试S以FIFO或RAM的方式訪問這些共享FIFO，如圖4所示。這種被稱之為“量子FIFO”（QuantumFIFO）的處理架構(gòu)，較好地解決了USB高速模式的帶寬問題。
具體來說，如圖5所示，USB執(zhí)行OUT傳輸，將EP2端點(diǎn)設(shè)成512字節(jié)重FIFO（如2.3小節(jié)所述）。在USB端和外部接口端都并不知道有四重FIFO�？磥�，USB端只要有1個(gè)FIFO為“半滿”，就可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)膠操作的FIFO寫“滿”時(shí)，F(xiàn)X2自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換到外部接口端，排除等候讀�。徊SB接口隊(duì)列中下一個(gè)為“空”的FIFO轉(zhuǎn)移到USB接口上，供其繼續(xù)寫數(shù)據(jù)。外部接口端與此類似，只要1有個(gè)FIFO為“半滿”，就可以繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)前操作的FIFO讀“空”時(shí)，F(xiàn)X2自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換到USB接口端，排除等候?qū)懭�；并將外部接口�?duì)列中下一個(gè)為“滿”的FIFO轉(zhuǎn)移到外部接口上，供其繼續(xù)讀取數(shù)據(jù)。
2.3端點(diǎn)緩存
USB協(xié)議定義了端點(diǎn)作為數(shù)據(jù)的接收器和發(fā)送器。主機(jī)發(fā)送4個(gè)bit的地址和1個(gè)bit的方向來選擇端點(diǎn)，因此USB最多可有32個(gè)端點(diǎn)定義：IN0～I(xiàn)N15和OUT0～OUT15。
FX2定義了7個(gè)端點(diǎn)，在高速模式下的端點(diǎn)緩存結(jié)構(gòu)如圖6所示。EP0IN&OUT、EP1IN、EP1OUT是64byte的端點(diǎn)緩存。EP0是默認(rèn)的控制傳輸端點(diǎn)，既是IN端點(diǎn)也是OUT端點(diǎn)。EP1IN、EP1OUT支持塊、中斷和同步傳輸。EP0、EP1IN和EP1OUT只能由FX2的固件訪問；而EP2、4、6和8無需固件干涉即可同片外互傳高速數(shù)據(jù)。
FX2端點(diǎn)配置方式非常靈活。EP2、4、6和8是大容量高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn)，可設(shè)為IN或OUT端點(diǎn)的一種，能配置成多種形式以適應(yīng)帶寬需要。在圖6中，每一列代表1種配置方式。帶陰影的方框可包括2、3、4個(gè)512或1024字節(jié)的緩存，分別表示端點(diǎn)可配置成雙重、三重和四重緩存。雙緩存是指USB可以讀或?qū)?個(gè)數(shù)據(jù)包，而另一個(gè)數(shù)據(jù)包（同一個(gè)端點(diǎn)內(nèi)另一個(gè)緩沖存儲(chǔ)器中的）可供外部接口操作；三重緩存加了第3個(gè)數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器可供USB和外部接口需要的一方使用；四重緩存增加了第4個(gè)數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)器。多緩存的結(jié)構(gòu)以在讀寫雙方速度相似時(shí)有效地改善帶寬，平滑帶寬抖動(dòng)，減少雙方的互相等待時(shí)間。
3EZ-USBFX2的接口方式
FX有2種接口方式：SlaveFIFOs和可編程接口GPIF。
SlaveFIFOs方式是從機(jī)方式，外部控制器可像普通FIFO一樣對(duì)FX2的多層緩沖FIFO進(jìn)行讀寫。FX2的SlaveFIFOs工作方式可設(shè)為同步或異步；工作時(shí)鐘可選為內(nèi)部產(chǎn)生或外部輸入；其它控制信號(hào)也可靈活地設(shè)置為高有效或低有效。
可編程接口GPIF是主機(jī)方式，可以軟件編程讀寫控制波形，幾乎可以對(duì)任何8/16bit接口的控制器、存儲(chǔ)器和總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的主動(dòng)讀寫，非常靈活。
4EZ-USBFX2的開發(fā)工具
如同EZ-USB系列的其它控制器一樣，Cypress公司對(duì)FX2也提供了較為完備的開發(fā)套件CY3681。它包括帶128腳CY7C68013的硬件開發(fā)板和相應(yīng)的控制面板（Controlpanel）、GPIF代碼自動(dòng)生成軟件（GPIFTool）以及固件方面豐富的例子和大量的幫助文檔。可以盡量節(jié)省學(xué)習(xí)時(shí)間，加快開發(fā)速度。
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