基于FPGA的嵌入式系统USB接口设计

文章摘要：3 系统软件设计3．1 USB Firmware设计由于设计中使用FPGA控制USB设备进行语音电话通信，所以在USB部分使用3种USB传输模式：控制传输、中断传输、等时传输。控制传输用于实现设备枚举主机的标准请求以及厂商自定义请求；中断传输用于实现设备对主机的唤醒，是唯一的设备主动向主机发送数据的传输方式；等时传输用于实现语音数据的双向同步传输。USB Firmware设计重点是语音的通信段。CY7C68013A具有PORTS、Slave FIFO、GPlF共3种工作模式。PORTS模式是最基本的数据传输方式，其数据传输需CPU直接参与，适于传输速率要求不高的场合；GPIF模式是主机方式，内

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　　3 系统软件设计

　　3．1 USB Firmware设计

　　由于设计中使用FPGA控制USB设备进行语音电话通信，所以在USB部分使用3种USB传输模式：控制传输、中断传输、等时传输。控制传输用于实现设备枚举主机的标准请求以及厂商自定义请求；中断传输用于实现设备对主机的唤醒，是唯一的设备主动向主机发送数据的传输方式；等时传输用于实现语音数据的双向同步传输。USB Firmware设计重点是语音的通信段。

　　CY7C68013A具有PORTS、Slave FIFO、GPlF共3种工作模式。PORTS模式是最基本的数据传输方式，其数据传输需CPU直接参与，适于传输速率要求不高的场合；GPIF模式是主机方式，内部主机控制端点FIFO；Slave FIFO模式是从机方式，外部控制器，如FPGA、DSP。应用中使用异步FIFO方式，采用内部48 MHz时钟，自动方式，而固件程序的编写则以Cypress公司提供的固件程序框架为基础，在其初始化函数中添加自己的配置代码。

　　在整个系统中，CY7C68013A的固件主要完成以下工作：初始化USB器件；作为USB接口与主机通信并传输数据；利用CY7C68013A器件的Slave FlFO接口控制USB器件和外部控制器之间的数据传输。因此同件主程序比较复杂，除了上面的TD_lnit()初始化外，还需要大量函数，但基本结构相对简单，包括3个过程：USB控制器的初始化；主函数，包括处理标准设备请求的代码；中断处理，包括处理各种中断的程序代码。图4为同件主程序流程。

　　3．2 USB驱动程序

　　USB系统软件由主机中的软件和设备同件构成。USB主机中的软件主要包括USB设备驱动(USBDD)、USB总线驱动(USBD)和USB主控制器驱动(HCD)。

　　USB设备驱动程序(或客户驱动程序)处于最顶层，它支持特定设备类的驱动，负责与其对应的USB设备进行通信和读写控制，实现各个USB设备特殊的功能应用。连接USB设备的每种类型的功能单元都必须具有客户驱动程序。客户驱动程序把USB设备看作是一个可被访问的端点的集合。USB设备可以被控制并与其功能单元通信。USB设备驱动程序通过I／O请求包(IRP)向USB总线驱动程序发送请求。这些请求包将一个给定的传输初始化。这种传输可以来自于一个USB目标设备或发送到USB设备。

　　USB总线驱动(USBD)是在主机控制器驱动和USB设备驱动之间的模块，它对应USB协议的USBD，在Windows系统中由USBD．SYS模块提供。它是在某一操作系统上对USB总线和协议提供支持的软件，独立于USB设备和USB设备驱动，并对它们进行控制和提供统一编程接口。

　　USB主控制器驱动程序(HCD)处于最底层，它负责对主机控制器进行抽象和对USB提供低级支持。

　　3．3 PC端的软件设计

　　PC端的软件设计采用面向对象程序设计，分为核心类(包括Provider，Data，Net)和应用类(包括UI，Call，Record)。其中核心类提供对硬件、操作系统和网络环境的支持，应用类在核心类的基础上提供对用户操作的支持。Provider类定义对USB设备的读写操作，提供读取数据方法(readusb())和写数据方法(writeusb())；Data类包括地址数据(Address)、音频数据(Audio)和控制数据(Command)的定义，并提供数据的分解方法(Decompose())和组合方法(Compose())；Net类提供对网络的支持，包括网络协议的选择和数据的接收与发送。UI类提供对用户界面的支持，包括窗口、对话框等，实现基本用户框架与应用入口；Call类提供通话功能；Record类则提供电话录音功能；根据不同应用要求，可扩展其他应用类。具体结构如图5所示。

　　4 结束语

　　USB灵活的接口和可编程特性可简化外部硬件的设计，提高系统可靠性。而USB2．O控制器CY7C68013A也广泛应用于许多数据传输领域。FPGA已成为通信、计算机、消费类电子产品等领域的基础器件。这里所介绍的USB设备就是一个基于FPGA的嵌入式系统，该系统软硬件都具有模块化的特性，易于改造成其他应用场合的语音控制系统(DAA除外)。该设计的应用可节省大量的人力、物力。具有较大的推广意义和使用价值。(国外电子元器件 作者：杨志坤，曾博，汤国文 电子科技大学)

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