Ports模式下CY7C68013和FPGA的数据通信

引言

通用串行总线（USB）具有快速、双向、大批量传输、廉价以及可实现热插拔等优点，Cypress公司的FX2系列芯片之一CY7C68013是最早符合USB2.0标准的微控制器，集成了符合USB2.0的收发器、串行接口引擎（SIE）、增强型8051内核以及可编程的外围接口，实现基于USB2.0的接口数据通信，CY7C68013可配置成3种不同的接口模式；Ports（端口模式）、GPIF Master（可编程接口模式）和Slave FIFO（主从模式），其中，后两种模式利用其内部集成的可以独立于微处理器而自动处理USB事务的硬件（USB核），数据的传输通过执行USB本身的协议来完成，微处理器可不参与数据传输，从而使数据的传输速率大大地提高，同时也简化了固件代码的编写。后两种方式由于克服了微处理器这个带宽"瓶颈"，因而广泛应用于大批量的数据传输，如图像、视频等信号的采集。

而对前一种Ports（端口模式），文献中介绍较少，作为一种最基本的数据传输方式，其数据传输主要由固件程序完成，需要CPU的参与，因此数据传输速率比较低，适用于传输速率要求不高的场合，而且由于FX2内部集成有8051内核，对一个刚从单片机的开发过渡到USB开发的工程人员来说，也不失是一种有效的数据传输方式，现以一个工程开发的实例来详细说明一下在Ports模式下如何实现数据一双向传输。

1 设计要求

主机通过USB接口以4KB/s的速率分别向两个通道发送数据序列，并由外设的D/A转换器完成数据的转换，同时，由外部的两个A/D转换器以400KB/s的采样率完成数据的采集，采集后的数字信号也经USB接口传送至主机存储，其中，USB接口芯片采用Cypress公司的CY7C68013，FPGA采用Altera公司的EP1C6Q240C8，图1为其数据的多路传输系统框图。

2 USB 数据多路传输硬件

2.1 EZ-USB FX2 CY7C68013

EZ-USB FX2 CY7C68013支持USB2.0数据传输，其内部结构及功能在其他文献已有详细的介绍，现针对此芯片在本电路的作用进行简要的说明，在设计中主要利用CY7C68013的Ports接口模式完成多路数据的传输，USB和FPGA之间数据和状态的传输由CY7C68013的IOA接口完成，IOB接口中的IOB0-IOB2口线作为USB和FPGA之间的控制线。CY7C68013内部的EP2端口设置为512字节双缓冲、OUT、块传输，作为主机向外设发送数据的缓冲区；EP6端口设置为512字节双缓冲，IN、块传输，作为外设向数据传送数据的缓冲区。

2.2 FPGA芯片EP1C6Q240C8

FPGA采用Altera公司的Cyclone 芯片EP1C6Q240C8。在这里FPGA的作用有3个：其一，给两路D/A转通道各分配两个128×8位的RAM区，作为从主机向外设发送数据的缓存。其二、给两路A/D转换通道各分配两个512×8位的RAM区，作为从外设向主机传送数据的缓存，由于两路数据的传输和采集共用一个8位数据总线，因此，数据总线要针对不同的接收和发送来回切换，因而每个通道的两路分别采用两个RAM块，起到双缓冲作为，以防传输时数据"溢出"的。其三，由于数据总线要针对不同通道来回切换，控制切换的过程由状态寄存器来完成，因此，要在FPGA内部设置一个状态寄存器，所设置的状态寄存器仅包含两位，分别标识两个通道的数据RAM的"满"或"空"的状态，以确定当前应该为哪一个通道发送或接收数据。

3 通信协议的制定

采用CY7C68013的Ports模式实现数据通信，与FIFO和GPIF模式不同，后两种模式在数据传输方面主要由USB核完成，所需的控制信号由CY7C68013自身来提供。而对于Ports模式，控制信号没有专用的口线，那么就必须用其他通用的I/O接口来完成，在此，采用IOB0-IOB2作为USB和FPGA之间的控制线，由于自定义的3条线是通用口线，没有实际的意义，因此在USB和FPGA之间首先要制定两者的通信协议,即给这3条口线赋以实际的功能。

ALE（IOB0）：例如ALE的上升沿，通过IOA端口向FPGA传送控制指令，例如，当IOA=01H时，表示系统开始工作，A/D和D/A转换器开始启动。当IOA=88H时，表示转换结束，FPGA将不再接收或发送数据，当IOA=02H时，表示CY7C68013将读取FPGA内状态寄存器的内容，由读取两状态标志位的0或1，来判断两个通道内的4个数据缓冲器的"满"或"空"状态，若D/A通道的任一个数据缓冲区为"空",则由FPGA向状态寄存器的第一个状态标志位内填1；否则填0；同理，若A/D通道的任一个数据缓冲区为"满"，则由FPGA向状态寄存器的第二个状态标志位内填1；否则填0；当IOA=03H时，表示主机将通过USB向D/A通道发送转换数据，每次发送256个字节，前128字节为D/A转换的1通道，后128字节为2通道，当IOA=04H时，表示主机将要接收由A/D通道传送来的数据。

RD（IOB1）：利用RD的上升沿通过IOA端口读取D/A转换器转换来的数据。

WR（IOB2）：利用WR的上升沿通过IOA端口向A/D转换器发送由主机传送来的数据。

4 软件的实现

USB与FPGA在Ports模式下数据的传输，由于是由CY7C68013内部的CPU核来实现的，因此，对固件程序的编写显得比较重要，总的来说，固件程序的编写有两种方式：一是由于CY7C68013的内部集成有增强型8051内核，对熟悉8051汇编语言的用户来说，可以直接利用会汇编语言编写高效的固件代码；二是Cypress公司EZ-USB FX2系列配套有现成的固件程序框架函数，用户需要时，只需添加相应的用户程序即可。当然，用户程序中的数据通信的实现也就是如何完成通信协议的过程。

在此，采用后者来完成CY7C68013和FPGA的数据通信，实现数据通信功能的部分软件代码如下（以下代码均可写在框架函数void TD_Poll（void）内）：

5 总结

CY7C68013和FPGA的数据通信中，采用基本的Ports接口模式，利用自动指针方法，通过数字示波器的观察，完成1KB的传送，大约需要750μs。与另外两种模式相比，虽然数据传输的速度较低，但作为一种数据传输模式，尤其对刚从单片机开发过渡到USB开发的工程人员来说，也不失为一种有效的开发方式。