DSP的USB数据传输系统设计

1、封面 作者： PanHongliang 基于 DSP的 USB据传输系统设计 摘 要 :数字信号处理器 (DSP) 在高速运算上有着不可比拟的优势 数据量庞大 ,需要一种非常方便、快捷的接口实现与计算机的数据传输。在 统设计中 ,提出一种基于 DSP 和 USB 的高速数据传输方案 ,该方案采用 CYPRESS 的 仅供个人学习 ,但数字信号处理的 CT 图像重建系 CY7C68001 作为 USB 收发控制芯片，并使用 TI的高性能 DSP 芯片 TMS320C5416 作为微 处理器控制芯片,利用两者的速度优势，通过 C 语言编写通信程序，实现了 DSP 与 PC 机之间 的高速数据传输

2、，从而使得大量图像数据能够快速、实时的存储、处理。 关键词:CT 图像重建。DSP 。 USB。数据传输 0 引 言 由于 DSP 芯片的不断发展 ， 以及它处理数据速度快、处理数据量大的优势 ， 已经广泛应用到数字信号处理的许多领域。在 CT 图像重建系统中 ，DSP 处理的 数据需要上传到 PC 机进行存储、显示或进行数据分析等 ， 这就产生了 PC 机和 DSP 的数据传输问题。USB 总线具有传输速度高，以及即插即用等特点，得到越 来越广泛的应用，利用 USB 总线实现 DSP 和 PC 机的通信，从而解决图像信号的 实时传输问题。Cypress 公司生产的 CY7C68001 通用

3、USB 2. 0 接口控制器是 基于 应用层编程的接口器件，使用简单，开发方便。在此，以 TMS320C5416 为例, 讨论如何使用 CY7C68001 对 TMS32OC541 进行 USB 接口设计，实现 DSP 和 PC 机通信，将 DSP 处理过的图像信号实时传到计算机中。 1 DSP 与 USB 接 口的硬件设计 TMS320C5416 是 TI 的高性能 32 位定点 DSP ,内核采用超长指令字(VL IW) 体系结构 ， 有 8 个功能单元、 64 个 32 b 通用寄存器。一个时钟周期同时执行 8 条指令，主频可达 1 GHz ， 处理性能高达 8 000 MIPS ， 支

4、持 8/ 16/ 32/ 64 b 的数据类型。CY7C68001 用来连接微处理器或 DSP 的 DMA 从装置，内部不含微 处理器。支持高速 (480 Mb/ s) 或全速(12 Mb/ s) USB 数据传输。提供 USB 2. 0 协议要求的全部 4 种传输方式 ( 控制传输、中断传输、批量传输和同步传 输) ， 可以满足用户对各种类型数据传输的需求。 1. 1 接口的硬件设计 在该设计方案中，CY7C68001 通过 EMIFB 与 TMS320C5416 进行异步通信， 各个引脚的连接如图 1 所示。DSP 控制 CY7C68001 完成 DSP 与 PC 之间的异步 通信。CY7

5、C68001 的相关引脚在接口中的作用:IN T :表明 CY7C68001 有数据 将要被读出，或者有中断事件发生。 READY:通知 TMS320C5416 可以对 CY7C68001 进行读写。FLA GA , FLA GB , FLA GC : 反应由 FAIFOADR2 :0 选择的 FIFO 的状态。FLA GD :为片选信号。SLOE 为 CY7C68001 驱动数据总 线。SL RD :并口读有效信号，在 SL RD 有效且同步通信时,FIFO 指针在每个 IFCL K 的上升沿递增。 PKTEND :总是高电平 ， 将当前的缓冲区提交给 USB 。 FD 15 :0 : 数据

6、总线。 FIFO 2 : 0 : 提供与 TMS320C5416 接口的 FIFO 地址选择。 图 1 TMS320C5416 与 CY7C68001 接口 1. 2 接口的访问 CY7C68001 提供给 DSP 两种软件接口 ： 命令接口 ：用来访问 CY7C68001 寄存器、End2point0 缓冲器及描述 表。 FIFO 数据接口 ：用来访问 4 个 1 KB 的 FIF0 中的数据。通过编程直接作 为FIFO 分配给 EP2 ,EP4 ,EP6 ,EP8。这两个外部接口均可以通过同步或异步 方式进行访问。在此均采用异步的方式进行访问 , 命令口的命令字如下 ： 在表 1 中,A/

7、 D 用于地址/数据的选择,当其为 0 时,表示本操作为数据读或 写。当其为 1 时, 表示本操作为地址写。 R/ W 用于读/ 写操作的选择 , 当其为 0 时,进行写,当其为 1 时，进行读。A 5 :0 用于地址/数据的选择,当 Bit7 = 0 时,D 3 :0 为数据半字节。D 5 :4 为未用，命令字为 8 位,故命令字数据分 二次读出或写入。当 Bit7 = 1 时,D 5 :0 包含将要寻址的命令寄存器地址。 2 USB 软件设计 USB 的软件设计包括三方面 : 固件设计、驱动程序设计和主机端应用程序 设计。 2. 1 固件设计 所有基于微控制器及外围电路功能设备的正常工作都

8、离不开固件的参与 , 固 件的作用就是辅助硬件工作。 没有固件的参与和控制 , 硬件设备无法实现预期的 功能。 USB 设备也不例外 , 必须编写固件程序来辅助硬件完成 USB 的通信任务。 由于采用不带MCU 内核的 USB 接口芯片,USB 的应用层协议应该通过对 TMS320C5416的编程来实现,USB固件的加载必须靠DSP的控制CY7C68001 来完成。在 CCS 中用 C 语言完成固件程序的编写,程序流程图如图 2 所示。 根据程序流程图 , 固件设计思路如下 : (1) 初始化工作。包括设置一些特殊功能寄存器的初值 , 以实现所需的设备 属性或功能,例如：配置端口、使能端点、开

9、中断。该设计中,使 CY7C68001 工作 于异步 FIFO 模式，将 4 KB 的 FIFO 对应到两个端点(Endpoint), 即 Endpoint2 和 Endpoint6。 (2) 辅助硬件完成设备的重新列举过程。包括模拟设备的断开与重新连接 , 对接收到的设置包进行分析判断 , 从而对主机的设备请求做出适当的响应 , 完成 主机对设备的配置任务。 (3) 对中断的处理。CY7C68001 有 6 个中断源,可以分别通过中断使能对寄 存器的各位进行设置。一旦中断事件发生,CY7C68001 的 IN T 引脚就被置低,并 且置中断使能寄存器的相应位 (即中断使能寄存器同时充当中断标

10、志寄存器 , 中 断使能寄存器具有读写属性 ) 。当中断发生时 , 中断标志寄存器的状态字映射到 FD7 :0 。中断发生后，DSP 对 CY7C68001 简单的一次读操作即可获取中断信 息, 识别中断源并进行相应处理。相对于中断标志寄存器的读操作 , 其他 CY7C68001 寄存器的读操作通常要先发送一次请求,并且收到 READ 响应后,才可 以读取数据。 (4) 数据的接收与发送。在读数据时,应首先判断 CY7C68001 的 FIFO2 是否 为空, 如果不为空 , 才将数据读进来。在写数据时 , 还要判断要写的数据个数是否 为 512 B 的整倍数,如果不是，则使用 PKTEND

11、信号来标识数据包的结束。EP2 和 EP6 分别对应存放 US 需要上传与接收的数据。其中,EP2 为 OU T 型,负责从主机接收数据。EP6 为 IN 型,负责向主机发送数据。EP2 和 EP6 均采用批量 (BUL K) 传输方式 , 这种传输方式具有数据可靠 , 传输速率高等特点 , 特别适合大 批量数据传输。部分关键代码如下 : DSP 读端点 2 中的数据: if ( ( FifoStatus & SX2_EP2EF) ! = SX2_EP2EF)/ EP2Data = 3 (unsinged volatile 3 ) USB_FIFO2/ DSP 向 EP6 中写入数据：

12、 if ( ( FifoStatus & SX2_EP2EF) ! = SX2_EP2EF)/ unsigned int i 。 for (i = 0 。i length - 1 。i + + )/ 先写入 length - 1 个数据 3 USB_FIF06 = data i 。 if (length %512) 若最后一个包不是 512 B 的整数倍使用 PKTEND 信号 3 ( unsigned volatile int 3 ) USB_ FIF06 _ END = data num - 1 else 3 (unsigned volatile int 3 ) USB_ FIF0

13、6 = data num -1 。 2. 2 驱动程序 在 Windows 平台下,USB 驱动程序由三部分组成：USB 设备驱动程序、USB 总线驱动程序和 USB 主控制器驱动程序。它们必须遵循 Win32 驱动程序模 (WDM)。其中,Win dows 操作系统已经提供了处于驱动程序栈底的 USB 主控制器 驱动程序和 USB总线驱动程序(USBD. SYS)。USB 设备的驱动程序主要是通过 调用 USBD. SYS 来实现 PC 机与 USB 总线的数据交换。USB 驱动程序主要完成以 下功能 ： (1) 发现、配置、关闭 USB 设备。通过一系列有关即插即用 ( Plug and

14、Play) 的派遣函数来完成。例如 Ezusb _ PnPAddDevice ( ) , Ezusb _ DispatchPnp ( ) 等函数。 (2) 驱动程序与应用函数的接口。像 Ezusb _Creat () ,Ezusb_Close () 等函数。应用程序调用 Ezusb_Create () 后, 返回惟一的 Windows 句柄后 , 才能 调用驱动程序的其他函数,完成驱动程序对 CY7C68001 的一系列操作和数据传 送。应用程序通过调用 API 函数 CreateFile () 来实现对 Ezusb_Create () 的 访问。 (3) 控制与数据传送接口。这是驱动程序的主

15、要部分。它是 Windows 的异 步 I/ O 操作。应用程序使用标准 Win32API 函数 Device IoCont rol () 来执 行这样的操作。在驱动一方,这个 DeviceIoCont rol () 调用被转化成一个带 IRP_MJ _DEVICE_CON TRC 功能码的 IRP。像读取与写入 FIFO 数据、endpointO 的操作均是通过异步 I/ 0 的方式来完成的。 2. 3 主机应用程序 USB 主机应用程序是计算机中完成特定功能的程序,其关键是实现从 USB 外 设读取或发送特定数量的数据、USB 标准设备请求和特定的命令等。另外，可以 对数据做进一步的处理

16、, 如： 存储、显示、快速傅里叶变换等。主机应用程序的 编写使用 VC 编译环境中的 API 函数实现。应用程序的编程方法与串口编程类 似。首先必须查找设备,调用 Win32 函数 CreateFilea () 打开设备的句柄。 然后调用 Win32 函数 DeviceloCont rol () 就可以进行数据读写和控制操作。 最后关闭设备句柄。在 VC+ + 6. 0 中用 C+ +编写简单的上位机测试程序，得到 测试结果如图 3 所示。 图 3 数据传输测试结果 3 USB 软件的实现算法 #include #include epphal.h #include d12ci.h #inclu

17、de mainloop.h #include usb100.h 确定 FIF02 是否为空 将端点 2 中的数读出 确定 FIF06 是否已满 #include chap_9.h #include protodma.h /* / USB protocol function pointer arrays /* code void (*StandardDeviceRequest)(void) = get_status, clear_feature, reserved, set_feature, reserved, set_address, get_descriptor, reserved, get

18、_configuration, set_configuration, get_interface, set_interface, reserved, reserved, reserved, reserved 。 code void (*VendorDeviceRequest)(void) = reserved, reserved, reserved, reserved, reserved, reserved, reserved, reserved, reserved, reserved, reserved, reserved, read_write_register, reserved, re

19、served, reserved 。 /* / Public static data /* extern EPPFLAGS bEPPflags 。 extern unsigned long ClockTicks 。 extern unsigned char idata GenEpBuf 。 extern IO_REQUEST idata ioRequest 。 CONTROL_XFER ControlData 。 code char * _NAME_USB_REQUEST_DIRECTION = Host_to_device, Device_to_host 。 code char * _NAM

20、E_USB_REQUEST_RECIPIENT = Device, Interface, Endpoint(0), Other 。 code char * _NAME_USB_REQUEST_TYPE = Standard, Class, Vendor, Reserved 。 code char * _NAME_USB_STANDARD_REQUEST = GET_STATUS, CLEAR_FEATURE, RESERVED, SET_FEATURE, RESERVED, SET_ADDRESS, GET_DESCRIPTOR, SET_DESCRIPTOR, GET_CONFIGURATI

21、ON, SET_CONFIGURA TION, GET_INTERFACE, SET_INTERFACE, SYNC_FRAME 。 void help_devreq(unsigned char typ, unsigned char req) typ = 5 。 if(typ = USB_STANDARD_REQUEST) printf(Request Type = %s, Request _NAME_USB_REQUEST_TYPEtyp, _NAME_USB_STANDARD_REQUESTreq) 。 else if(bEPPflags.bits.verbose) printf(Requ

22、est Type = %s, bRequest _NAME_USB_REQUEST_TYPEtyp, req)。 extern unsigned long ClockIsr 。 unsigned char far *privateBuffer 。 unsigned long dmaBuffer 。 unsigned long ioBuffer 。 / V2.1 unsigned short ioSize, ioCount 。 / V2.1 void init_timer0(void) /* Interrupt Control Unit */ /* * Enabled interrupts in

23、 Interrupt Enable Register * * GLOBAL INTERRUPT MUST BE ENABLED FOR ANY OTHER * INTERRUPT TO WORK! */ /* GLOBAL INTERRUPT DISABLED ALL INTERRUPTS ARE DISABLED */ /* External interrupt 0 */ /* Priority Level = 0 */ /* Timer 0 interrupt */ /* Priority Level = 0 */ void init_special_interrupts(void) io

24、port unsigned int port3002 。 void init_port() port3002=0 xff 。 /*SerialPort */ /*Mode = 1 /8-bit UART SerialPort Interrupt = Disabled */ /*Receive = Enabled */ /*Auto Addressing = Disabled */ void init_serial(void) %s.n, 0 x%x.n, void on_exit(void) disconnect_USB() 。 void main(void) BOOL in_loop = T

25、RUE 。 init_port() 。 init_serial() 。 init_timer0() 。 init_special_interrupts() 。 printf(nPDIUSBD12 evaluation board firmware V2.2.n) 。 printf(Copyright (c) Philips Semiconductors, 1998.n) 。 printf(Re-connect PDIUSBD12 evaluation board to USB.n) 。 reconnect_USB() 。 /* Main program loop */ while( in_lo

26、op ) fn_usb_isr() 。 if (bEPPflags.bits.bus_reset) DISABLE 。 bEPPflags.bits.bus_reset = 0。 ENABLE 。 printf(Bus reset!n) 。 / if bus reset if (bEPPflags.bits.suspend) DISABLE 。 bEPPflags.bits.suspend= 0。 ENABLE 。 suspend_change()。 printf(Suspend change!n) 。 / if suspend change if (bEPPflags.bits.setup_

27、packet) DISABLE 。 bEPPflags.bits.setup_packet = 0 。 ENABLE 。 control_handler() 。 / if setup_packet if(bEPPflags.bits.setup_dma) DISABLE 。 bEPPflags.bits.setup_dma = 0 。 ENABLE 。 setup_dma()。 / if setup_dma / Main Loop on_exit() 。 void suspend_change(void) void stall_ep0(void) D12_SetEndpointStatus(0

28、, 1) 。 D12_SetEndpointStatus(1, 1) 。 void disconnect_USB(void) / Initialize D12 configuration D12_SetMode(D12_NOLAZYCLOCK|D12_CLOCKRUNNING , D12_SETTOONE | D12_CLOCK_12M) 。 void connect_USB(void) / reset event flags DISABLE 。 bEPPflags.value = 0 。 ENABLE 。 / V2.1 enable normal+sof interrupt D12_SetD

29、MA(D12_ENDP4INTENABLE | D12_ENDP5INTENABLE) 。 / Initialize D12 configuration D12_SetMode(D12_NOLAZYCLOCK|D12_CLOCKRUNNING|D12_SOFTCONNECT, D12_SETTOONE | D12_CLOCK_12M) 。 void reconnect_USB(void) unsigned long clk_cnt 。 disconnect_USB() 。 printf(Wait for 1 second .n) 。 for(clk_cnt=0 。 clk_cnt0 x100

30、。 clk_cnt+) 。 connect_USB() 。 void init_unconfig(void) / unsigned char i 。 D12_SetEndpointEnable(0) 。 /* Disable all endpoints but EPP0. */ void init_config(void) D12_SetEndpointEnable(1) 。 /* Enable generic/iso endpoints. */ void single_transmit(unsigned char * buf, unsigned char len) if( len len)

31、ControlData.wLength = len 。 ControlData.pData = pRomData 。 if( ControlData.wLength = EP0_PACKET_SIZE) D12_WriteEndpoint(1, ControlData.pData, EP0_PACKET_SIZE) 。 ControlData.wCount += EP0_PACKET_SIZE 。 DISABLE 。 bEPPflags.bits.control_state = USB_TRANSMIT 。 ENABLE 。 else D12_WriteEndpoint(1, pRomData

32、, ControlData.wLength) 。 ControlData.wCount += ControlData.wLength 。 DISABLE 。 bEPPflags.bits.control_state = USB_IDLE 。 ENABLE 。 void setup_dma() if(!(ioRequest.bCommand & 0 x80) bEPPflags.bits.dma_disable = 1 。 / V2.1, x86 only D12_SetDMA(D12_ENDP4INTENABLE | D12_ENDP5INTENABLE) 。 setup_io()。

33、return。 bEPPflags.bits.dma_disable = 0 。 / V2.1 / dma_start(&ioRequest) 。 DISABLE 。 bEPPflags.bits.dma_state = DMA_RUNNING 。 ENABLE 。 single_transmit(0, 0) 。 if(ioRequest.bCommand & 0 x1) D12_SetDMA(D12_BURST_16 | D12_DMAENABLE | D12_DMA_INTOKEN) 。 else D12_SetDMA(D12_BURST_16 | D12_DMAENABL

34、E) 。 / setup_io() setup buffer address for I/O mode Main endpoints transfer, / it only works on PC evaluation kit. void setup_io() unsigned long offset 。 / unsigned char far *fp 。 / unsigned short seg, off 。 offset = (unsigned long)ioRequest.bAddressH)4 。 / off = (ioBuffer + ioCount)&0 xf 。 / fp

35、 = MK_FP(seg, off) 。 DISABLE 。 bEPPflags.bits.dma_state = DMA_RUNNING 。 ENABLE 。 single_transmit(0, 0) 。 if(ioRequest.bCommand & 0 x1) if(ioSize 64) / D12_WriteEndpoint(5, fp, 64) 。 ioCount += 64 。 else / D12_WriteEndpoint(5, fp, ioSize) 。 ioCount += ioSize 。 void con trol_ha ndler() un sig ned

36、char type, req。 type = Con trolData.DeviceRequest.bmRequestType & USB_REQUEST_TYPE_MASK 。 req = Con trolData.DeviceRequest.bRequest & USB_REQUEST_MASK 。 help_devreq(type, req)。 / print out device request if (type = USB_STANDARD_REQUEST) (*StandardDeviceRequestreq)()。 else if (type = USB_VEND

37、OR_REQUEST) (*VendorDeviceRequestreq)()。 else stall_ep0()。 4 结语 在 CT 图像重建系统中，高性能的 DSP 芯片具有高速的数据处理能力，利用设 计的 USB 接口 ,能够快速方便地实现实时传输。经测试，该设计的 USB 接口传输 速度可达 35 Mb/ s 以上,具有较高的实用价值和良好的应用前景,而且对于使用 其他微处理器开发基于 CY7C68001 的 USB 2. 0 接口也有很好的借鉴作用。 参考文献 1 美Texas In st rume nt s In corporated. TMS320 C5416 系列 DSP 的

38、 CPU 与外设M.北京：清华大学出版社,2007. 2 袁海强,徐宏海,李娟.基于 CY7C68001 的数据采集系统 USB 接口设计J . 2008 ,37 ：48250. 3 TEXAS INSTRUMENTS MARCH. TMS320C6000 EMIFto USB In terfaci ng Usi ng Cypress EZ2USB SX2 Z.2004. 4 陈刚,张帅.基于 DSP 和 USB 2. 0 高速数据传输系统的设计J .长沙通 信职业技术学院学报,2007 ,6:73276. 5 万佑红,冯炜.基于 DSP 的 USB 数据传输方法研究与实现J .计算机工程 与设计,2007 ,28 (12) :2 89622 897 ,2 901. 6 王成儒,李英伟.USB 2. 0 原理与工程开发M.北京:国防工业出版 社,2004. 7 戴小俊,丁铁夫,郑喜凤.基于 DSP 和 USB 的数据采集系统的设计J .电 子技术应用,2007 (1) :84286. 8 微红旳,张志俊,朱宗晓.DSP 高速数字语音系统的 USB 接口设计J .中 南民族大学学报,2007 ,26 (1) :40243. 9 北京合众达公司.SEED2DEC5416 用户指南(Rev. B