基于DSP和SlaveFIFO的USB2.0接口硬件電路設(shè)計

1、引言
USB（通用串行總線）是一種電纜總線，支持主計算機與許多可同時訪問的外設(shè)之間進行數(shù)據(jù)交換。其相比傳統(tǒng)的串口、并口，具有靈活方便、成本低、通信可靠、支持熱插拔、即插即用等優(yōu)點，在近些年得到了很大的發(fā)展，廣泛應(yīng)用于個人電腦及消費電子產(chǎn)品中，具有很高的實用價值。尤其自USB2.0協(xié)議面世以來，其傳輸速率大幅提高到480Mbps，特別適合應(yīng)用于實時信號處理系統(tǒng)等高數(shù)率大容量場合。由于目前實時信號處理系統(tǒng)在通信、圖像、電力、雷達、控制等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，因此面向?qū)崟r信號處理系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計一種適應(yīng)其應(yīng)用特點的USB2.0接口具有比較重要的意義。
2、USB2.0接口硬件結(jié)構(gòu)
基于DSP和SlaveFIFO本文設(shè)計了一種USB2.0接口，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。該接口主要包括DSP、USB微控制器兩部分。在接口中，DSP實時處理前端輸入信號，與PC機通過USB微控制器中的SlaveFIFO實現(xiàn)雙向USB2.0協(xié)議通信，并根據(jù)接收到的主機命令將需要的實時數(shù)據(jù)處理結(jié)果傳送至PC機。
USB2.0接口硬件電路設(shè)計包括DSP、USB微控制器兩部分，主要完成DSP、USB微控制器的配置及與其周邊電子元件的電氣互聯(lián)。
3、DSP及其周邊電路設(shè)計
在實時信號處理系統(tǒng)中，DSP憑借豐富的尋址方式、內(nèi)部資源及算法支持，主要應(yīng)用于高速實時數(shù)據(jù)處理等場合。在本接口電路設(shè)計中，基于數(shù)據(jù)吞吐量、計算能力、應(yīng)用場合等方面的考慮，選用TI（德州儀器公司）的數(shù)字信號處理器TMS320C6713。TMS320C6713是TI公司C6000系列DSP中的一款浮點數(shù)字信號處理器，運算能力超群，主頻可到300MHz，運算速度可到2400MIPS。
傳統(tǒng)的DSP數(shù)據(jù)傳輸方式是由DSP讀取數(shù)據(jù)后，經(jīng)過DSP自身將數(shù)據(jù)發(fā)送至接收端，這種方式傳輸時間長，傳輸速度低，傳輸過程中大量占用DSP資源，降低了DSP運算效率。本接口設(shè)計中，利用DSP片上資源采用直接存儲器訪問（DMA）方式，直接將數(shù)據(jù)在DSP片外存儲器與接收端之間傳輸，有效地解決了傳輸瓶頸問題，提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，同時數(shù)據(jù)傳輸過程中無需占用DSP資源，提高了DSP的運算能力。
本接口中DSP及其周邊電路主要包括DSP、SDRAM存儲器、Flash存儲器及DSP電源監(jiān)控芯片、模式配置電路等。在設(shè)計中使用DSP信號線CE[3:0]將片外存儲器分為多個存儲空間，分別對應(yīng)不同存儲器，并通過片上EMIF接口（外部存儲器接口）實現(xiàn)電氣連接。
3.1SDRAM存儲器
SDRAM存儲器是一種同步存儲器，具有速度快，容量大，可連續(xù)讀寫等優(yōu)點。電路中將兩片位寬16位的SDRAM存儲器并聯(lián)成一個32位存儲空間以提高數(shù)據(jù)傳輸速率。
3.2FLASH存儲器
作為一種不揮發(fā)存儲器，F(xiàn)LASH存儲器具有掉電不丟失數(shù)據(jù)的特點，用于斷電時存放DSP固件程序。
3.3DSP模式配置電路
設(shè)計中通過配置TMS320C6713的HD12、HD8、HD[4:3]、HD14管腳來配置其工作模式。
4、USB微控制器及其周邊電路設(shè)計
目前市場上有很多支持USB2.0協(xié)議的USB微控制器，比較知名的有Cypress公司的EZ-USBFX2系列USB微控制器、Philips公司的ISP系列、PDIUSB系列微控制器，其中Cypress公司的EZ-USBFX2系列USB微控制器以其豐富的開發(fā)資源、方便的開發(fā)環(huán)境得到了業(yè)界的廣泛應(yīng)用。因此本接口設(shè)計中選用該系列中的CY7C68013A作為USB微控制器，其自帶超強USB2.0引擎SIE、集成增強型8051內(nèi)核和多種外圍資源，指令向下兼容，周期短且支持軟配置。
傳統(tǒng)的USB微控制器接收數(shù)據(jù)后，在微控制器內(nèi)核的控制下進行數(shù)據(jù)打包/拆包以實現(xiàn)USB協(xié)議。由于這種方式下每個數(shù)據(jù)均需等待微控制器指令處理，所以耗費的時間長，傳輸?shù)乃俣嚷１窘涌谥胁捎肧laveFIFO方式，USB微控制器CY7C68013A使用SlaveFIFO端口以外部總線FIFO或RAM的方式為DSP提供一個彈性、高速的接口，數(shù)據(jù)傳輸速率最大可達到240Mb/s，顯著提高了數(shù)傳率，有效利用了USB2.0協(xié)議的帶寬。具體實現(xiàn)中，DSP直接與USB微控制器中的SlaveFIFO進行數(shù)據(jù)通信，由USB微控制器底層硬件自動實現(xiàn)SlaveFIFO中的數(shù)據(jù)與USB2.0協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，不需微控制器內(nèi)核指令處理。其中，SlaveFIFO由USB微控制器中的4組64字節(jié)FIFO構(gòu)成，可接收外部讀寫控制，數(shù)據(jù)路徑16位，兩個FIFO作為輸入，兩個FIFO作為輸出。
USB微控制器及其周邊電路主要包括USB微控制器、EEPROM和電源復(fù)位電路等。其中，EEPROM用于在斷電時存儲USB微控制器的固件程序。
5、結(jié)語
本文從硬件上設(shè)計了一種USB2.0接口。該接口采用DMA數(shù)據(jù)傳輸方式，使用SlaveFIFO端口通信，符合USB2.0規(guī)范，具有靈活方便、即插即用、支持熱插拔、數(shù)據(jù)傳輸速率高等優(yōu)點。在此基礎(chǔ)上，接口可與實時信號處理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等模塊進行整合，實現(xiàn)了與PC機間的數(shù)據(jù)高速傳送，提升了系統(tǒng)性能，拓展了系統(tǒng)應(yīng)用。實踐證明了它的正確性和實用價值。