基于USB2．0实现GPIF接口的固件、驱动和应用程序的设计
引 言
usb（universal serial bus）是一种通用串行总线，主要用于pc与外围usb设备的互联。近年来，usb接口以其快速、即插即用、使用安装方便等优点逐渐成为现代数据传输的发展趋势。目前，国内外采用usbl．1和usb2．o两种规范。usbl．1主要用于低速传输要求的场合，支持1．5mb／s和12mb／s两种传输速率；而usb2．o规范则提供高达480mb／s的传输速率。尽管如此，在某些对数据传输速度要求很高的系统中，外围设备与usb接口之间在速度上仍存在着不可忽视的传输瓶颈。
cypress公司生产的usb2．0控制器cy7c68013提供了一种独特的接口方式，即通用可编程接口（gpif）方式。它与传统接口方式的主要区别有两点：①在数据传输过程中不需要cpu干涉，使得传输速率明显提高，从而可以充分利用usb2．0的传输带宽；②由软件设置读／写控制，其控制方式类似于状态机，提高了传输稳定性。因此，本文介绍的基于usb2．0控制器cy7c68013的gpif接口设计，就是充分利用了该芯片这一独特的数据传输接口方式，有效地解决了在传统接口方式下usb2．0设备数据传输速度的局限性，大大提高了数据的传输速率。
1 、cy7c68013简介
cy7c68013是cypress公司的ez-usb fx2系列芯片。ez-usb fx2是一款集成usb2．0收发器的微控制器，内部结构如图l所示。该系列芯片集成了usb2．o收发器、串行接口引擎（sie）、带8．5kb片上ram的增强型高速8051单片机、4kb fifo存储器以及通用可编程接口等模块．提供了全面集成的usb解决方案，无需外加芯片即可实现高速usb传输。fx2系列芯片最主要的特点是可以通过usb2．0的通用可编程接口为特定的应用接口编程。另外，cy7c68013的gpif引擎具有自动传输数据结构的特性，这种特性使得以主／从端点fifo（b/16位数据总线）为ata、utopia、epp、pcmcia、dsp等的外围设备，可以与主机通过cy7c68013无缝、高速地传输数据。另外，cy7c68013内部集成的usb2．o的sif能完成大部分usb2．o协议的处理工作，从而减少了用户对繁杂的usb协议的处理。
2、 硬件设计及原理
在gpif接口方式设计中，gpif作为cy7c68013的端点fifo的内部控制器，在这种方式下，cpu不会干涉数据的传输。cy7c68013的gpif接口方式如图2所示。
cy7c68013专门为gpif提供了接口信号（包括16位数据线、输出控制信号ctl、输入控制信号rdy以及地址线adr），这些信号负责完成usb接口芯片与外围设备或器件（如fpga、dsp等）的数据读／写控制和传输。以下为gpif方式下的主要端口功能。
fdo～fdl5（输入／输出）：usb主机通过cy7c68013与外部设备进行数据传输的数据线，可以用8位或16位数据线。
ctlo～ctl5（输出）：cy7c68013对外部设备进行控制的信号线。
rdy0～rdy5（输入）：cy7c68013对外部设备的状态进行检测的信号线。
sda（双向）、scl（输出）：e2prom的数据及时钟信号线。
adr0～adr8（输出）；gpif为外部设备提供的地址线。
在本设计中，除了重点利用通用可编程接口来实现无缝、高速的传输数据外，还采用了ez-usbfx2提供的一种独特架构，即“量子fifo（quantum fifo）”处理架构。它能较好地解决带宽问题，图3为其数据传输示意图。当usb执行out时，ep2端点被设置为512字节四重fifo（在usb端和外部接口端，都不知道有四重fifo），图4为其数据传输原理图。在usb端看来，只要有1个fifo为“半满”，那么就可以继续发送数据。
当前操作的fifo写“满”时，fx2自动将其转换到外部接口端，排除等候读取；并将usb接口队列中下一个为“空”的fifo转移到usb接口上，供其继续写数据。同时，在外部接口端看来，只要有1个fifo为“半满”，就可以继续读取数据。当前操作的fifo读“空”时，fx2自动将其转换到usb接口端，排除等候写入；并将外部接口队列中下一个为“满”的fifo转移到外部接口上，供其继续读取数据。
3、 软件设计及实现
本设计的软件设计包括：固件程序、驱动程序和应用程序设计。其中，固件程序是整个程序设计的核心，它在设备cpu中运行。gpif就是在固件中实现的，因此，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。
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usb（universal serial bus）是一种通用串行总线，主要用于pc与外围usb设备的互联。近年来，usb接口以其快速、即插即用、使用安装方便等优点逐渐成为现代数据传输的发展趋势。目前，国内外采用usbl．1和usb2．o两种规范。usbl．1主要用于低速传输要求的场合，支持1．5mb／s和12mb／s两种传输速率；而usb2．o规范则提供高达480mb／s的传输速率。尽管如此，在某些对数据传输速度要求很高的系统中，外围设备与usb接口之间在速度上仍存在着不可忽视的传输瓶颈。
cypress公司生产的usb2．0控制器cy7c68013提供了一种独特的接口方式，即通用可编程接口（gpif）方式。它与传统接口方式的主要区别有两点：①在数据传输过程中不需要cpu干涉，使得传输速率明显提高，从而可以充分利用usb2．0的传输带宽；②由软件设置读／写控制，其控制方式类似于状态机，提高了传输稳定性。因此，本文介绍的基于usb2．0控制器cy7c68013的gpif接口设计，就是充分利用了该芯片这一独特的数据传输接口方式，有效地解决了在传统接口方式下usb2．0设备数据传输速度的局限性，大大提高了数据的传输速率。
1 、cy7c68013简介
cy7c68013是cypress公司的ez-usb fx2系列芯片。ez-usb fx2是一款集成usb2．0收发器的微控制器，内部结构如图l所示。该系列芯片集成了usb2．o收发器、串行接口引擎（sie）、带8．5kb片上ram的增强型高速8051单片机、4kb fifo存储器以及通用可编程接口等模块．提供了全面集成的usb解决方案，无需外加芯片即可实现高速usb传输。fx2系列芯片最主要的特点是可以通过usb2．0的通用可编程接口为特定的应用接口编程。另外，cy7c68013的gpif引擎具有自动传输数据结构的特性，这种特性使得以主／从端点fifo（b/16位数据总线）为ata、utopia、epp、pcmcia、dsp等的外围设备，可以与主机通过cy7c68013无缝、高速地传输数据。另外，cy7c68013内部集成的usb2．o的sif能完成大部分usb2．o协议的处理工作，从而减少了用户对繁杂的usb协议的处理。
2、 硬件设计及原理
在gpif接口方式设计中，gpif作为cy7c68013的端点fifo的内部控制器，在这种方式下，cpu不会干涉数据的传输。cy7c68013的gpif接口方式如图2所示。
cy7c68013专门为gpif提供了接口信号（包括16位数据线、输出控制信号ctl、输入控制信号rdy以及地址线adr），这些信号负责完成usb接口芯片与外围设备或器件（如fpga、dsp等）的数据读／写控制和传输。以下为gpif方式下的主要端口功能。
fdo～fdl5（输入／输出）：usb主机通过cy7c68013与外部设备进行数据传输的数据线，可以用8位或16位数据线。
ctlo～ctl5（输出）：cy7c68013对外部设备进行控制的信号线。
rdy0～rdy5（输入）：cy7c68013对外部设备的状态进行检测的信号线。
sda（双向）、scl（输出）：e2prom的数据及时钟信号线。
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在本设计中，除了重点利用通用可编程接口来实现无缝、高速的传输数据外，还采用了ez-usbfx2提供的一种独特架构，即“量子fifo（quantum fifo）”处理架构。它能较好地解决带宽问题，图3为其数据传输示意图。当usb执行out时，ep2端点被设置为512字节四重fifo（在usb端和外部接口端，都不知道有四重fifo），图4为其数据传输原理图。在usb端看来，只要有1个fifo为“半满”，那么就可以继续发送数据。
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