基于DSP和SlaveFIFO的USB2.0接口硬件电路设计

1、引言
USB（通用串行总线）是一种电缆总线，支持主计算机与许多可同时访问的外设之间进行数据交换。其相比传统的串口、并口，具有灵活方便、成本低、通信可靠、支持热插拔、即插即用等优点，在近些年得到了很大的发展，广泛应用于个人电脑及消费电子产品中，具有很高的实用价值。尤其自USB2.0协议面世以来，其传输速率大幅提高到480Mbps，特别适合应用于实时信号处理系统等高数率大容量场合。由于目前实时信号处理系统在通信、图像、电力、雷达、控制等诸多领域得到了广泛应用，因此面向实时信号处理系统应用设计一种适应其应用特点的USB2.0接口具有比较重要的意义。
2、USB2.0接口硬件结构
基于DSP和SlaveFIFO本文设计了一种USB2.0接口，其硬件结构如图1所示。该接口主要包括DSP、USB微控制器两部分。在接口中，DSP实时处理前端输入信号，与PC机通过USB微控制器中的SlaveFIFO实现双向USB2.0协议通信，并根据接收到的主机命令将需要的实时数据处理结果传送至PC机。
USB2.0接口硬件电路设计包括DSP、USB微控制器两部分，主要完成DSP、USB微控制器的配置及与其周边电子元件的电气互联。
3、DSP及其周边电路设计
在实时信号处理系统中，DSP凭借丰富的寻址方式、内部资源及算法支持，主要应用于高速实时数据处理等场合。在本接口电路设计中，基于数据吞吐量、计算能力、应用场合等方面的考虑，选用TI（德州仪器公司）的数字信号处理器TMS320C6713。TMS320C6713是TI公司C6000系列DSP中的一款浮点数字信号处理器，运算能力超群，主频可到300MHz，运算速度可到2400MIPS。
传统的DSP数据传输方式是由DSP读取数据后，经过DSP自身将数据发送至接收端，这种方式传输时间长，传输速度低，传输过程中大量占用DSP资源，降低了DSP运算效率。本接口设计中，利用DSP片上资源采用直接存储器访问（DMA）方式，直接将数据在DSP片外存储器与接收端之间传输，有效地解决了传输瓶颈问题，提高了数据传输速度，同时数据传输过程中无需占用DSP资源，提高了DSP的运算能力。
本接口中DSP及其周边电路主要包括DSP、SDRAM存储器、Flash存储器及DSP电源监控芯片、模式配置电路等。在设计中使用DSP信号线CE[3:0]将片外存储器分为多个存储空间，分别对应不同存储器，并通过片上EMIF接口（外部存储器接口）实现电气连接。
3.1SDRAM存储器
SDRAM存储器是一种同步存储器，具有速度快，容量大，可连续读写等优点。电路中将两片位宽16位的SDRAM存储器并联成一个32位存储空间以提高数据传输速率。
3.2FLASH存储器
作为一种不挥发存储器，FLASH存储器具有掉电不丢失数据的特点，用于断电时存放DSP固件程序。
3.3DSP模式配置电路
设计中通过配置TMS320C6713的HD12、HD8、HD[4:3]、HD14管脚来配置其工作模式。
4、USB微控制器及其周边电路设计
目前市场上有很多支持USB2.0协议的USB微控制器，比较知名的有Cypress公司的EZ-USBFX2系列USB微控制器、Philips公司的ISP系列、PDIUSB系列微控制器，其中Cypress公司的EZ-USBFX2系列USB微控制器以其丰富的开发资源、方便的开发环境得到了业界的广泛应用。因此本接口设计中选用该系列中的CY7C68013A作为USB微控制器，其自带超强USB2.0引擎SIE、集成增强型8051内核和多种外围资源，指令向下兼容，周期短且支持软配置。
传统的USB微控制器接收数据后，在微控制器内核的控制下进行数据打包/拆包以实现USB协议。由于这种方式下每个数据均需等待微控制器指令处理，所以耗费的时间长，传输的速度慢。本接口中采用SlaveFIFO方式，USB微控制器CY7C68013A使用SlaveFIFO端口以外部总线FIFO或RAM的方式为DSP提供一个弹性、高速的接口，数据传输速率最大可达到240Mb/s，显著提高了数传率，有效利用了USB2.0协议的带宽。具体实现中，DSP直接与USB微控制器中的SlaveFIFO进行数据通信，由USB微控制器底层硬件自动实现SlaveFIFO中的数据与USB2.0协议间的转换，不需微控制器内核指令处理。其中，SlaveFIFO由USB微控制器中的4组64字节FIFO构成，可接收外部读写控制，数据路径16位，两个FIFO作为输入，两个FIFO作为输出。
USB微控制器及其周边电路主要包括USB微控制器、EEPROM和电源复位电路等。其中，EEPROM用于在断电时存储USB微控制器的固件程序。
5、结语
本文从硬件上设计了一种USB2.0接口。该接口采用DMA数据传输方式，使用SlaveFIFO端口通信，符合USB2.0规范，具有灵活方便、即插即用、支持热插拔、数据传输速率高等优点。在此基础上，接口可与实时信号处理系统中的数据采集、数据处理等模块进行整合，实现了与PC机间的数据高速传送，提升了系统性能，拓展了系统应用。实践证明了它的正确性和实用价值。