數(shù)字信號處理器DSP以其運(yùn)算速度快的特點已被廣泛應(yīng)用。但目前絕大部分DSP處理器僅提供了串口通訊方式，該方式僅適合少量數(shù)據(jù)的傳送，不能滿足通訊、圖像處理等需要高速數(shù)據(jù)交換場合的應(yīng)用。由于DSP運(yùn)算過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)不能實時向計算機(jī)傳輸，從而成為拓展DSP應(yīng)用領(lǐng)域的一個瓶頸。而近幾年發(fā)展起來的通用串行總線USB技術(shù)，能夠滿足設(shè)備間的高速數(shù)據(jù)傳輸。如果將USB技術(shù)應(yīng)用到DSP處理器上，就可以徹底地解決DSP設(shè)備與計算機(jī)間大數(shù)據(jù)量的交換問題，從而極大地擴(kuò)展了DSP的應(yīng)用領(lǐng)域。本文實現(xiàn)了在TMS320C32系列DSP上，利用EZ-USB FX2微控制器擴(kuò)展USB接口的技術(shù)，實現(xiàn)了DSP與計算機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸。
1 USB簡介
　　通用串行總線USB的概念自1995年被提出以來，至今已經(jīng)歷了規(guī)范1.0、1.1和2.0。現(xiàn)在的USB2.0規(guī)范在原有的低速模式（low speed）1.5Mbps、全速模式(full speed)12Mbps的基礎(chǔ)上又支持高達(dá)480Mbps的高速模式(high speed)，從而使USB總線真正成為能滿足高速應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)連接總線。在USB2.0中，每毫秒可發(fā)送8～10微幀，這是USB1.1傳輸速率的40倍，同時對緩存的要求也大大降低了。USB2.0向下完全兼容，最高可以連接127個設(shè)備。另外，在端口擴(kuò)充的同時，各種采用USB2.0的設(shè)備仍可以維持在480Mbps的最高傳輸速度^[1]。
2 系統(tǒng)構(gòu)成
2.1 EZ-USB FX2性能特點
　　Cypress Semiconductor公司的EZ－USB FX2（以下簡稱FX2）是世界上第一款集成USB2.0的微處理器，它集成了USB2.0收發(fā)器、SIE（串行接口引擎）、增強(qiáng)的8051微控制器和可編程的外圍接口。FX2這種獨(dú)創(chuàng)性結(jié)構(gòu)可使數(shù)據(jù)傳輸率達(dá)到56MBps，即USB2.0允許的最大帶寬。在FX2中，智能SIE可以硬件來處理許多USB1.1和USB2.0協(xié)議，從而減少了開發(fā)時間和確保了USB的兼容性。GPIF（General Programmable Interface）和主從端點FIFO（8位或16位數(shù)據(jù)總線）為ATA、UTOPIA、EPP、PCMCIA和DSP等提供了簡單和無縫連接接口。FX2的原理框圖如圖1所示。

　　為了實現(xiàn)USB2.0的高速帶寬，把FX2的端點FIFO和從屬FIFO（實現(xiàn)和外部邏輯器件或處理器接口的FIFO）集成在一起以減少內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸時間。并且FX2的FIFO有獨(dú)特的“量子”特性^[2]，根據(jù)USB分組大小，外部可以一次提交多達(dá)4 096個字節(jié)的數(shù)據(jù)，而不是每次一個字節(jié)。如果用經(jīng)典的FIFO，當(dāng)產(chǎn)生壞的CRC（循環(huán)校驗碼）時，所有的數(shù)據(jù)必然泛濫流出；如果CRC校驗正確，則分組信息能從USB域交換到I/O" title="I/O">I/O域。端點緩沖器可通過固件" title="固件">固件設(shè)置為雙、三或四緩沖器，與所需的數(shù)據(jù)量或靈活性有關(guān)。FX2的FIFO量子特性及可編程設(shè)置多緩沖為滿足USB2.0所需帶寬提供了保障。
2.2 TMS320C32性能特點
　　數(shù)字信號處理器采用TI公司的TMS320C32，這是TI公司的第一代浮點DSP芯片。TMS320C32的性能特點：具有16M字的空間，每字32位。這16M字空間包括程序存儲區(qū)、數(shù)據(jù)存儲區(qū)和I/O空間；為32位處理器，具有32位內(nèi)部存儲器、32/40位內(nèi)部寄存器、32位內(nèi)部總線，還支持8位、16位數(shù)據(jù)操作，并且包含了兩個512×32位的快速RAM塊；C32通過24位的地址總線、32位的數(shù)據(jù)總線和三組選通信號IOSTRB、STRB0和STRB1訪問外部存儲器；TMS320C32是在TMS320C30和TMS320C31基礎(chǔ)上進(jìn)行了簡化和改進(jìn)。在結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)包括可變寬度的存儲器接口、更快速的指令周期時間、可設(shè)置優(yōu)先級的雙通道DMA處理器、靈活的引導(dǎo)程序裝入方式、可重定位的中斷向量表以及可選的邊緣/電平觸發(fā)中斷方式等。特別是其增強(qiáng)的外部存儲器接口，使得對外部數(shù)據(jù)的操作更加方便，存儲器接口電路的設(shè)計也更加靈活，因此在許多實時數(shù)據(jù)采集和信號處理的系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用^[3～4]。
2.3 系統(tǒng)設(shè)計
　　FX2有三種工作模式：端口、GPIF和從FIFO（Slave FIFO）模式。在本系統(tǒng)中，F(xiàn)X2工作于從FIFO模式下，TMS320C32作為主控（Master），直接控制FIFO數(shù)據(jù)的讀寫。4KB的FIFO空間全部分配給了EP2端點，使其形成四重1 024字節(jié)的緩沖。當(dāng)C32向其中一個FIFO寫“滿”時，F(xiàn)X2自動將該FIFO轉(zhuǎn)換到外部接口端，排隊等候PC機(jī)讀取；并將EP2中下一個為“空”的FIFO轉(zhuǎn)移上來，供C32繼續(xù)寫數(shù)據(jù)。
　　USB的數(shù)據(jù)傳輸有四種模式：塊傳輸(Bulk Transfers)、中斷傳輸（Interrupt Transfers）、同步傳輸（Isochronous Transfers）、控制傳輸（Control Transfers）。當(dāng)需要快速傳輸大批量的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)時，一般采用塊傳輸模式；而當(dāng)傳輸實時性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)時，則應(yīng)采用中斷傳輸模式。在該系統(tǒng)中采用了塊傳輸模式。
　　TMS320C32與FX2的連接如圖2所示。其中，I/O和WR#分別是C32的一個通用I/O信號和讀寫使能信號，PKTEND用于強(qiáng)制FX2發(fā)送FIFO內(nèi)部數(shù)據(jù)。例如，將EP2設(shè)置為自動傳送模式，當(dāng)C32向EP2中寫滿1 024個字節(jié)后，EP2自動將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至USB端口，供上位機(jī)讀取；當(dāng)C32發(fā)送的數(shù)據(jù)不是1 024的整數(shù)倍時，最后一個數(shù)據(jù)包因為比1 024小所以不會被EP2發(fā)送。這時有兩種方法：一是用無效數(shù)據(jù)將EP2補(bǔ)充滿；二是使用PKTEND信號在PKTEND的上跳沿處，F(xiàn)X2將EP2內(nèi)的剩余數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至USB^[5]。

3 軟件設(shè)計
3.1 固件設(shè)計
　　在該系統(tǒng)中，F(xiàn)X2的固件完成如下工作：
　　（1）配置如下描述符。
　　;; Endpoint Descriptor
　　db　　DSCR_ENDPNT_LEN　　　　　　;; 描述符長度
　　db　　DSCR_ENDPNT　　　　　　　　;; 描述符類型
　　db　　82H　　　　　　　　　　　　;; 端點號是2,輸出OUT
　　db　　ET_BULK　　　　　　　　　　;; 端點類型
　　db　　00H　　　　　　　　　　　　;; 包的大小，低字節(jié)(LSB)
　　db　　04H　　　　　　　　　　　　;; 包的大小，高字節(jié)(MSB)
　　db　　　00H　　　　　　　　　　　　;; 檢測間隔
　　（2）初始化一些寄存器的值，使之滿足系統(tǒng)設(shè)計。下面是采用keil C51編寫的C語言固件程序的主要代碼：
　　void TD_Init(void)
　　{
　　CPUCS = 0x10; //CLKSPD[1:0]=10, 48MHz
　　IFCONFIG = 0xCB; //異步從FIFO模式
　　REVCTL = 0x03;
　　EP2CFG=0xE8; //方向OUT，塊傳輸，四緩沖，1024字節(jié)
　　PORTACFG = 0x40; //將PA7管腳設(shè)置為SLCS，從FIFO的片選信號
　　FIFORESET = 0x80;
　　FIFORESET = 0x02;
　　FIFORESET = 0x00;
　　EP2FIFOCFG = 0x0D; //配置EP2為自動方式，16位總線
　　EP2AUTOINLENH=0x04;//數(shù)據(jù)包大小為1024字節(jié)
　　EP2AUTOINLENL=0x00;
　　}
　　可以看出，一旦FX2芯片上電后、CPU完成以上寄存器的初始化時，就不再干預(yù)FIFO的工作了，C32直接通過FIFO就建立起了與PC機(jī)之間的USB通道。
3.2 驅(qū)動程序
　　USB設(shè)備驅(qū)動程序" title="設(shè)備驅(qū)動程序">設(shè)備驅(qū)動程序采用一種新的驅(qū)動模型——WDM(Windows Driver Model)。WDM通過提供一種靈活的方式來簡化驅(qū)動程序的開發(fā)，在實現(xiàn)對新硬件支持的基礎(chǔ)上減少并降低所必須開發(fā)的驅(qū)動程序的數(shù)量和復(fù)雜性。整個驅(qū)動程序體系的流程可以這樣來描述：應(yīng)用程序" title="應(yīng)用程序">應(yīng)用程序通過WIN 32提供的API向WIN 32子系統(tǒng)發(fā)出命令。WIN 32子系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用與內(nèi)核層的I/O管理器" title="管理器">管理器通訊，將用戶程序的API 調(diào)用轉(zhuǎn)換成IRP（I/O Request Package） 包，I/O管理器將IRP 包傳遞給指定的設(shè)備驅(qū)動程序；USB設(shè)備驅(qū)動程序接收到這個IRP包后，根據(jù)IRP中包含的具體操作代碼構(gòu)造相應(yīng)USB請求塊(URB)，并把此URB放到一個新的IRP中，然后把它傳遞給USB總線驅(qū)動程序；USB總線驅(qū)動程序根據(jù)IRP中所含的URB執(zhí)行相應(yīng)的操作(與USB主機(jī)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換)，并把操作的結(jié)果返回給USB設(shè)備驅(qū)動程序；USB設(shè)備驅(qū)動程序接收到此返回的IRP后，將操作結(jié)果通過IRP返還給I/O管理器，最后I/O管理器將此IRP操作結(jié)果傳回給應(yīng)用程序。至此應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備的一次I/O操作完成^[6]。WDM型的USB驅(qū)動程序體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。