摘 要 本文介紹了符合USB2.0協(xié)議的FX2系列芯片利用可編程控制接口GPIF與外設(shè)進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕緳C制，及其軟配置波形描述符的實現(xiàn)原理，并詳細(xì)闡述了波形描述符的結(jié)構(gòu)和各字段的含義，最后給出了據(jù)此進(jìn)行波形描述符設(shè)計的基本方法和實例。
關(guān)鍵詞 FX2 GPIF 波形描述符 USB2.0協(xié)議
1 引言
EZ-USB FX2系列芯片是CRPRESS公司推出的針對USB2.0規(guī)范的高速外設(shè)控制器，它提供了對USB2.0的完整解決方案。該芯片包括帶8KB片內(nèi)RAM的高速CPU、16位并行地址總線＋8位數(shù)據(jù)總線、I2C總線、4KB FIFO存儲器以及通用可編程接口（GPIF）、串行接口引擎（SIE）和USB2.0收發(fā)器。在代碼的編寫上，它與8051系列單片機兼容，且速度是標(biāo)準(zhǔn)8051的3－5倍。其中，通用可編程接口（GPIF）是最引人注目的一個特點，正是通過這種機制，它才能夠?qū)崿F(xiàn)外設(shè)與主機的高速（480bps）數(shù)據(jù)傳輸。通用可編程接口由用戶編寫的波形描述符(wave descriptor)驅(qū)動，所以說波形描述符的質(zhì)量是能否有效的利用該芯片實現(xiàn)高速數(shù)傳的關(guān)鍵。在固件的設(shè)計過程中，該部分的設(shè)計一般利用公司給定的軟件如GPIFDesigner和EZ-USB Control Panel來完成，考慮到其復(fù)雜性和重要性，公司不建議用戶在字節(jié)這一層上進(jìn)行修改。然而，在實際的固件編寫過程中，為了提高GPIF的執(zhí)行效率，同時更清楚地理解固件驅(qū)動程序，設(shè)計時需要對其有更深入的了解。本文針對該部分設(shè)計，詳細(xì)闡述其實現(xiàn)原理，并給出了具體實例加以說明。
2 波形描述符的實現(xiàn)機制
波形描述符通過硬件接口GPIF實現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出。GPIF是FX2端點FIFO的內(nèi)部控制器。在這種方式下，接口內(nèi)核可產(chǎn)生6個控制輸出端（CTL0-CTL5）和9根線的地址(GADR[8:0])輸出，同時可以接收6個外部輸入(RDY0-RDY5)和2個內(nèi)部輸入。FX2有4個波形描述符控制各個狀態(tài)，它們分別是單次讀、單次寫、FIFO讀和FIFO寫。這些波形描述符可以被動態(tài)地配置給任何一個端點FIFO。例如，一個波形描述符可以配置為寫FIFO，而另一個配置為讀FIFO。在程序中進(jìn)行GPIF接口的數(shù)據(jù)操作時，GPIF將自動啟動相應(yīng)的波形描述符。FX2的固件程序可以把這些描述符配置給四個FIFO中的任意一個，配置后，GPIF將依據(jù)波形描述符產(chǎn)生相應(yīng)的控制邏輯和握手信號給外界接口來滿足向FIFO讀寫數(shù)據(jù)的需要。GPIF的數(shù)據(jù)總線既可以是單字節(jié)寬的（8位FD[7:0]）也可以是雙字節(jié)寬的（16位FD[15:0]）。每個波形描述符包含了S0－S6 7個有效狀態(tài)和一個空閑狀態(tài)，在每個有效狀態(tài)對應(yīng)的時間段里，經(jīng)過預(yù)先設(shè)定后，GPIF可以做以下幾件事情：（1）驅(qū)動（使為高或低）或懸浮6個輸出控制端；（2）采樣或驅(qū)動FIFO的數(shù)據(jù)總線；（3）增加GPIF地址總線的值；（4）增加指向當(dāng)前FIFO指針的值；（5）啟動GPFIWF(波形描述符)中斷。除此之外，在每個狀態(tài)，GPIF可以對以下幾個信號中任意兩個進(jìn)行采樣，它們是（1）RDYX輸入端；（2）FIFO狀態(tài)標(biāo)志位；（3）內(nèi)部RDY標(biāo)志位；（4）傳輸計數(shù)中止標(biāo)志位，然后把這兩個信號相與、相或或者相異或，根據(jù)結(jié)果跳轉(zhuǎn)到其它任意一個狀態(tài)或延遲1－256個IFCLK個時鐘周期。當(dāng)然也可以根據(jù)一個輸入端的信號進(jìn)行跳轉(zhuǎn)或延遲。每次描述符在執(zhí)行完畢后必須跳轉(zhuǎn)到空閑段才能結(jié)束。在GPIF控制其總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，可以不用CPU的干涉，直接通過內(nèi)部FIFO與USB總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，這保證了高速數(shù)據(jù)通道的暢通，其內(nèi)部機理如圖（1）所示。在GPIF接口上同一時刻只能有一個波形描述符在執(zhí)行，要更換波形描述符必須要等到上一個描述符執(zhí)行完畢。
3 波形描述符的含義
GPIF的4個波形描述符具有相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們被放在一段連續(xù)的地址空間0xE400-0xE47F，在編寫固件程序時，一般放到同一個數(shù)組中，如下圖（2）所示。
對應(yīng)于GPIF的8個狀態(tài)，每個波形描述符有8個具有相同結(jié)構(gòu)的控制字段。控制字段包含LENGTH/BRANCH、OPCODE、LOGIC FUNCTION和OUTPUT四個字節(jié)，它們分別表示了在本時間段內(nèi)的延時（或跳轉(zhuǎn)）設(shè)置、操作碼、要執(zhí)行的邏輯函數(shù)和總線的輸出狀態(tài)。例如，上圖中wave 0的第一個字段是0x0F 0x01 0x37 0xC7。對非判決點（Non-Decision Point）和判決點(Decision Point)，其含義也有所區(qū)別。
對于非判決點（DP = 0），它們代表的意義如下表1所示：
下面對每一個字節(jié)的定義進(jìn)行詳細(xì)的說明：
LENGTH/BRANCH 對于非判決點（DP = 0），該字節(jié)定義了在此狀態(tài)停留的IFCLK的時鐘周期的個數(shù)。但如果值為0的話則表示停留256個IFCLK個時鐘周期的時間。對于判決點(DP = 1)，該字節(jié)定義了邏輯函數(shù)所要跳轉(zhuǎn)到的狀態(tài)。1BRANCH：如果邏輯函數(shù)的結(jié)果為1時跳轉(zhuǎn)到的狀態(tài)序號，從0到6或7（空閑態(tài)）；0BRANCH：如果邏輯函數(shù)的結(jié)果為0時跳轉(zhuǎn)到的狀態(tài)序號，從0到6或7（空閑態(tài)）；
OPCODE 該字節(jié)定義了一些狀態(tài)特征。DP ：定義是了該狀態(tài)是判決點狀態(tài)還是非判決點狀態(tài)，=1為判決點，=0為非判決點。DATA：定義數(shù)據(jù)總線的狀態(tài)。進(jìn)行寫操作時，＝1：驅(qū)動數(shù)據(jù)總線輸出，＝0：三態(tài)（不驅(qū)動數(shù)據(jù)總線）；進(jìn)行寫操作時，＝1：對數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)采樣并存儲數(shù)據(jù)，＝0：不采樣數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)。NEXT：在這個狀態(tài)的開始，指針是否指向OUT FIFO的下一個字節(jié)。＝1：把OUT FIFO中的下一個數(shù)據(jù)移到頂部；＝0：不移動數(shù)據(jù)。當(dāng)波形描述符應(yīng)用于IN FIFO時NEXT 位不起作用。INCAD：決定是否增加GPIF地址總線上的地址。＝1：表示在這個狀態(tài)的開始把GPIF地址總線上的地址加1；＝0：不增加地址信號。GINT：決定是否在這個狀態(tài)過程中產(chǎn)生GPIFWF中斷。＝1：表示在到達(dá)這個狀態(tài)時產(chǎn)生一個GPIFWF中斷信號（在INT4上）；＝0：表示不產(chǎn)生中斷信號。
LOGIC FUNCTION 該字節(jié)只用于判決點的波形描述符。它指定了一個邏輯函數(shù)和應(yīng)用于這個邏輯函數(shù)的輸入信號（TERMA 和 TERMB）。其結(jié)果將決定采用什么樣的跳轉(zhuǎn)方式，跳轉(zhuǎn)方式已在LENGTH/BRANCH中指定。TERMA 和TERMB：決定選擇什么輸入信號，從000到101分別代表RDY0到RDY5，但是若READYCFG.5=1，則101代表選擇傳輸計數(shù)器的溢出信號。剩下兩種選擇是FIFO的標(biāo)志位和INTRDY。 LFUNC：對輸入信號采用的邏輯函數(shù)，從00到11代表到邏輯函數(shù)分別為'與'、'或'、'異或'和"非"。 在每個GPIF時鐘的上升沿對輸入信號進(jìn)行采樣。 在下一個上升沿到來前，GPIF根據(jù)選擇的邏輯函數(shù)對輸入信號進(jìn)行計算，由結(jié)果確定跳轉(zhuǎn)到哪一個狀態(tài)。
OUTPUT 該字節(jié)決定了在進(jìn)入此狀態(tài)后GPIF的6個控制信號(CTL0-CTL5)的狀態(tài)。OEn：如果TRICLT ＝ 1，則該位決定了是否驅(qū)動CTLx信號。＝1：驅(qū)動CTLx；＝0：使其為三態(tài)。CTLn：決定了該狀態(tài)中CTLn上的電平。=1：輸出為'高電平'；＝0：輸出為'低電平。如果在寄存器GPIFCTLCFG中CTLx被設(shè)置為1，則輸出方式位集電極開路；如果在寄存器GPIFCTLCFG中CTLx被設(shè)置為0，則輸出方式為CMOS電平。
4 波形描述符的設(shè)計與應(yīng)用
設(shè)計波形描述符主要就是根據(jù)具體的硬件接口設(shè)計出合理有效的控制字節(jié)，一般利用公司給定的軟件GPIF Designer或EZ-USB Control Panel來完成。這兩種軟件都具有可視化的界面，操作簡單，最終形成一個名為*.c關(guān)于波形描述符的源文件。波形描述符的源文件主要由兩部分構(gòu)成，即初始變量（WaveData、FlowStates和InitData）的定義和GPIF初始化函數(shù)GpifInit( )的實現(xiàn)。在初始化函數(shù)中主要做的就是配置與GPIF相關(guān)的寄存器，同時把波形描述符數(shù)據(jù)填入相應(yīng)內(nèi)存空間0xE400-0xE47F。與GPIF相關(guān)的寄存器主要有IFCONFIG、GPIFIE、GPIFADRH和GPIFREADYCFG等，具體的配置方法見參考文獻(xiàn)【1】。對設(shè)計者而言，這種方法無論是設(shè)計還是調(diào)試過程中的修改都缺乏透明度，這給固件的設(shè)計造成了一定的困難。為了更靈活有效地操作GPIF，還需要能從字段的角度對其進(jìn)行修改。
下面是一個GPIF與高速采樣芯片連接的例子。圖（3）是執(zhí)行圖（1）所列波形描述符中的wave2時接口的工作時序。執(zhí)行這一波形時，每次讀一個數(shù)，數(shù)據(jù)讀完后啟動下一次轉(zhuǎn)換。把wave 2的第三個字段0x01 0x00 0x36 0x00改為0x01 0x0a 0x32 0x00后其輸出時序變?yōu)閳D（4）所示的形狀。此時，每次讀兩個通道的兩個數(shù)，一個數(shù)據(jù)讀完后，內(nèi)部FIFO地址自動加1，在讀第二個數(shù)據(jù)后通過上升沿啟動下一次轉(zhuǎn)換。從圖上可以清楚的看出各字段和輸出邏輯的對應(yīng)關(guān)系。
5 結(jié)束語
GPIF的靈活性源于其控制時序即波形描述符的軟件可編程特點，所以正確設(shè)計波形描述符是利用該接口實現(xiàn)其高速數(shù)傳功能的基礎(chǔ)。但是要提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男蔬�必須把波形描述與具體硬件外設(shè)電路結(jié)合起來，根據(jù)實際的時序配合關(guān)系，去除多余的狀態(tài)，使GPIF的性能到達(dá)最優(yōu)。
