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USB2.0控制器CY7C68013的接口设计实

　　摘要：介绍了一种基于控制器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： ATA接口 CY7C68130 GPIF
1 引言
USB接口以其速度快、功耗低、支持即插即用、使用安装方便等优点而得到了广泛的应用。目前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、一个USB收发器、一个片上RAM、一个4 kB FIFO存储器及一个通用可编程接口。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，也可以置控制器状态为空闲，以表示扇区请求传输。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的通用可编程接口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、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在没有CPU的干涉下通过四个大的端点FIFO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。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。由于在Winsows2000操作系统中已经新增了媒体存储设备的驱动程序，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机是的，它也能向下兼容，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。