USB控制器是以USB串口引擎為主的專用集成電路，并可延伸至對其進行管理的MCU以及相應的軟硬件。目前市場上供應的USB控制器主要有2種：帶USB接口的單片機(MCU)或純粹的USB接口芯片。帶USB接口的單片機可分為2類：一類是從底層設計專用于USB控制的單片機，如Cypress公司的CY7C63513、CY7C64013等[1]，由于開發工具的專用性，往往應用于各種專業應用場合，如微機主板等[2-4]；另一類是增加了USB接口的普通單片機，如Intel公司的8X931、8X930以及Cypress公司的EZ-USB，由于均基于8051內核，因而得到了廣泛應用。
1 CY7C68013與系統結構簡介
    Cypress公司的CY7C68013芯片是集成USB2.0協議的微處理器，支持12 Mb/s的全速傳輸和480 Mb/s的高速傳輸，具有控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸和同步傳輸4種傳輸方式，內部包括一個增強型8051處理器內核、一個串行接口引擎（SIE）、一個USB收發器、8.5 KB片上RAM和4 KB FIFO存儲器以及一個通用可編程接口(GPIF)。8051可工作在48 MHz/24 MHz/12 MHz時鐘頻率，內部可自動產生480 MHz的頻率供USB2.0串行收發引擎使用。由于數據緩沖器與SIE相連接，數據進入收發器后，通過SIE可直接轉向FIFO，通過8 bit或16 bit數據接口與外設連接，存取數據。微控制器不參與數據傳輸，但允許以FIFO或RAM的方式訪問這些共享FIFO，從而實現低速控制、高速傳輸。CY7C68013有GPIF/SLAVE FIFO/GPIO 3種接口模式，本系統采用Slave FIFO接口模式，選用控制傳輸和塊傳輸2種方式，外部控制器可像普通FIFO一樣對FIFO進行讀寫。
    本數據傳輸系統分為3部分：發送端和接收端、CY7C68013控制器、具有并/串(或串并轉換)功能的CPLD芯片（MAX7128）以及光纖傳輸模塊。其中，CY7C68013和MAX7128之間采用并行連接方式，MAX7128與激光發送（接收）模塊間是串行連接，如圖1(a)所示。

    圖1(a)中，主機將數據發送到CY7C68013端點FIFO緩沖器中，然后CY7C68013將端點FIFO中的數據分字節放到一組I/O口上，并且使能讀信號，MAX7128讀取I/O上的邏輯值，當接收512 B后，MAX7128將這512 B的數據從低到高串行發送給激光發送模塊；數據經過光纖傳輸，進入激光接收模塊，輸出串行信號，通過MAX7128實現串并轉換，數據寬度為8 bit，通過CY7C68013的從屬FIFO的寫入時序即可將數據寫入CY7C68013的端點緩沖器中。
    USB數據傳輸接口開發分為4個層次，接口硬件、接口軟件、驅動和應用程序如圖1(b)所示。
2 固件程序設計
    由于高速數據傳輸不需要固件程序參與，固件程序僅僅處理主機的發送請求。在發送端，固件將數據放置到I/O口上供MAX7128讀取；在接收端，MAX7128完成串并轉換后，將數據用特定時序寫入CY7C68013。此時只需設定寄存器，固件程序相對簡單，圖2為發送和接收固件程序流程。

    CY7C68013芯片固件程序負責處理主（從）機發送來的各種請求，以完成與外圍電路間的各種數據傳輸。本系統固件一共包含九個程序文件，其中的頭文件分別定義了CY7C68013中的寄存器名和特殊功能寄存器、通用的CY7C68013常量、數據類型和宏、特殊功能寄存器所需要的同步延遲宏、用來描述CY7C68013狀態的各種USB描述符、INT2和INT4中斷跳轉表等。主函數負責處理標準USB請求和自定義請求，控制整個硬件系統的運行。接收端固件主循環不用做任何操作，與發送端程序流程圖完全相同。其固件運行的主程序清單如下，負責處理主機發出的各種USB請求。
……
    TD_Init()；//初始化用戶設備
    EZUSB_IRQ_ENABLE()；//使能USB中斷（INT2)
    EZUSB_ENABLE_RSMIRQ()；//使能喚醒中斷
    INTSETUP |=(bmAV2EN | bmAV4EN)；//使能INT2
//和INT4中斷跳轉向量
    USBIE |=bmSUDAV | bmSUTOK | bmSUSP | bmURES |
bmHSGRANT；//使能所選擇的中斷
    EA=1；//打開8051中斷
    UsbDisconnect()；
    CKCON=(CKCON&(~bmSTRETCH)) | FW_STRETCH_
VALUE；//設為0值
    Sleep=FALSE；//清除sleep標志
    while(TRUE)//主循環
    {
        if(GotSUD)//等待SETUP令牌數據的到來
        {
            ParseControlTransfer()；//處理SETUP令牌數據
            GotSUD=FALSE；//清除SUDAV標志
        }
        if (Sleep)
        {
            Sleep=FALSE；//清除sleep標志
            do
            {
            EZUSB_Susp()；//置8051為空閑
            }
            while(!Rwuen&&EZUSB_EXTWAKEUP())；
            EZUSB_Resume()；//從空閑狀態恢復
        }
        TD_Poll()；//完成用戶任務
    }
……
    需要強調的是：固件程序設計完成后需要進行調試，確保系統硬件正常工作。
    (1)工作時鐘頻率的確定：晶振兩引腳對地電壓均為1.6 V左右，此時CLKOUT引腳默認輸出為24 MHz，當輸出48 MHz時，電壓為2.5 V。
    (2)電平觸發中斷方式：中斷后一定要讀上次傳輸狀態寄存器（命令40 H~45 H），以清除中斷寄存器中的中斷標志，這樣中斷輸出才能變回高電平。
    (3)使能端口：接收到Setup包后，必須用ACKsetup命令重新使能端口為低電平。
    (4)緩沖區數據標志：在向IN端點寫完數據后，必須設置EP2BCH:L，指明緩沖區中的數據有效，示意可以發送到主機。當IN端點的數據被外設讀走后，一定要調用OUTPKTEND來清除緩沖區數據，否則無法向IN端點寫入數據。
    在USB設備枚舉的過程中，可采用USB調試工具BusHound軟件來抓取它和主機的通信數據進行分析，以檢查硬件和固件程序的工作是否正確。
3 驅動程序設計
    為了配合CY7C68013的工作，需要有驅動程序[6，7]以使上位機程序能正常訪問USB芯片。以Cypress公司提供的參考程序為基礎[1]，增加自定義控制請求即可。
    由于驅動程序必須和系統的總線驅動進行通信，系統總線驅動為WDM(Win32 Driver Model)驅動。因此，USB驅動程序采用WDM設備驅動程序[8]。由于USB總線驅動程序（USBD）一般由操作系統提供，負責與實際的硬件打交道，因此，重點是開發USB設備驅動程序（USB Device Driver）。USB設備的WDM驅動程序是通過創建URB(USB請求塊)，并向USB總線驅動程序發送包含URB的IRP來實現對USB設備信息的發送和接收。此外，USB設備驅動程序除負責處理應用程序的I/O請求外，還要處理PnP請求。
    CY7C68013的驅動程序包括2部分：usbfft.sys，專用于下載芯片的固件程序；loaderfft.sys，上位機和CY7-
C68013進行通訊的部分，用于實現數據收發功能。這2個部分都存放在上位機上，當系統上電或USB連接時，固件部分將自動下載到芯片的RAM中供8051執行。
4 應用程序設計
    上位機是人機交互的平臺，需要良好的操作界面。本系統通過VB6.0開發了上位機應用程序，運行界面如圖3所示。

    應用程序是完成數據發送與接收并且對系統進行有效控制的平臺，不僅需要向CY7C68013發送數據，還需要將接收的數據顯示出來并保存。此外為了系統測試的方便，增加了誤碼率和速率測試模塊，以測試系統的整體性能。
    本系統上位機的主要功能有：(1)文件的發送；(2)文件的接收；(3)速率測試；(4)誤碼率測試；(5)系統控制，用來獲取CY7C68013描述符以及其內部寄存器的情況，并對整個系統進行控制，如使能CY7C68013的數據輸出功能及片內數據轉移功能等。
    系統中定義了6個時間控件來完成數據的發送與接收，timer1、timer3和timer4分別完成文件、誤碼率及速率測試的發送，Timer2、timer6和timer8分別完成文件、誤碼率及速率測試的接收。另外定義了一個時間控件來控制開啟哪一個接收數據時間控件。為了保證有效判斷所接收到的數據是文件、速率測試還是誤碼率測試數據，在timer1、timer3和timer4發送前都先發送一個512 B的前導包。全為1時表示下一個數據包包含著速率測試數據，全為2時表示下一個數據包包含著誤碼率測試數據，全為3時表示下一個數據包包含著文件數據。這樣就能判斷出應該開啟哪一個接收時鐘。
    具體的文件數據處理方法是：文件打開后，先將文件緩沖，定義一個二維數組：行512 B，列由文件大小決定。數組的第一個512 B前20 B記錄所發送文件的大小，并且在最開始的5 B以0xAA填充，表明這個數據包是全部文件的開始，當文件大小不足填滿最后的512 B時，數據補0，但數組結尾為0xAA。
    采用CY7C68013設計的高速數據傳輸系統，經過測試，達到了設計要求，實現了數據的高速傳輸，為下一步開展數據編碼/譯碼、調制/解調研究打下了良好的基礎。
參考文獻
[1] www.cypress.com.EZ-USB FX2 Technical Reference Manual.
[2] 戴紅梅，胡仁杰.USB（通用串行總線）及USB外設的開發[J].電測與儀表，2000(12)：53-56.
[3] 陳明智，李鋒，尚淮.USB通信協議分析和系統設計[J].自動化與儀器儀表，2006(6)：46-49.
[4] 鄒建彬，高凱，張爾揚.基于USB 2.0協議的高速圖像傳輸系統[J].現代電子技術，2009(22)：195-197.
[5] 李鑒，黃大勇.基于CY7C68013的USB數據采集系統[J].微計算機信息.測控自動化，2009，25(1-1)：97-98+154.
[6] 陸原，魏杰，孟瑋.Windows XP環境下USB設備驅動程序的開發[J].國外電子元器件，2007(7)：28-30.
[7] 陳新忠.USB設備驅動程序設計[J].電子產品世界，2009(5)：48-51.
[8] 王躍鋼 ,韓心中.基于WDM模式的USB設備驅動程序開發[J].微計算機信息(管控一體化)，2006，22(8-3)：
305-307.