基于ISP1581USB接口芯片的DMA传输应用

摘要：在USB接口和USB外设之间使用DMA方式传输数据，大大提高了USB传输数据的吞吐量。本文介绍了基于ISP1581USB接口芯片的DMA传输应用。

关键词：ISP1581；USB2.0；DMA控制器；固件

引言

　　随着USB2.0规范的推出，USB总线的最高数据传输速率可达到480Mbit/s，这进一步延伸了它的使用范围，越来越多的设计者在设计嵌入式系统或者计算机外围设备时开始采用USB总线进行数据传输，为了保证高的数据传输速率，许多USB接口芯片提供了直接存储器存取(DMA)方式，通过使用DMA方式，能使大量数据在计算机外围设备与USB接口芯片之间直接传输，从而保证USB总线上数据的吞吐量。本文以Philips公司(现独立为NXP公司)的ISP1581USB接口芯片为例，介绍USB接口芯片的DMA传输应用。

硬件电路设计

　　ISP1581是USB2.0接口芯片，它有7个IN端点，7个OUT端点和1个固定的控制IN/OUT端点，内部集成8K字节的多结构FIFO 存储器，特别是它有一个灵活的高速DMA接口，大大增加了数据的吞吐量，其内部DMA组成框图如图1所示。


图1  ISP1581DMA组成框图

　　DMA硬件由DMA接口及DMA控制器组成，通过初始化DMA相关寄存器及发送DMA命令可以选择DMA的工作方式，即两字节的通用DMA传输或者三字节的IDE规范传输，本文主要介绍通用DMA的应用，通用DMA有两种工作方式，即主机DMA(MDMA)和从机DMA(GDMA)方式，MDMA时芯片内的DMA控制器作为主控方，由它产生DMA传输需要的控制时序，GDMA时，需要在外部单独设计一个DMA控制器(外设DMA控制器)并作为主控方，并由它产生传输所需控制时序。由于DMA控制器和USB 内核使用的是同一个FIFO(内部RAM)，所以DMA 控制器接收到DMA命令后，可直接控制数据从内部RAM传送到外部DMA设备或从外部DMA设备传送到内部RAM。图1中各信号的含意如下：

D0～D15：DMA传输数据线，双向。
DREQ：DMA请求信号，GDMA时输出，MDMA时输入。
DACK：DMA应答信号，GDMA时输入，MDMA时输出。
DIOR：DMA读信号，GDMA时输入，MDMA时输出。
DIOW：DMA写信号，GDMA时输入，MDMA时输出。
EOT：GDMA传送终止信号，输入，主要用在GDMA方式。

　　其它信号主要用在IDE规范传输中，在此不作介绍。由于GDMA方式数据传输速度更高且使用灵活，所以下面主要介绍GDMA的应用。


图2  DMA从机方式应用原理框图

　　图2是GDMA应用框图，是某自动测试设备数字I/O板的一部分，图中 ISP1581外接单片机(AT89C55)作为控制器，单片机同时也是该板的控制核心，存储器选用256K×18bit双口RAM(IDT70V631)，ISP1581采用GDMA方式读写该双口RAM，外设DMA控制器在可编程器件FPGA中实现。

　　系统的工作过程是：当主控计算机需要和数字I/O板大批量交换数据时，向ISP1581发出批量传输命令，批量传输命令中包含了数据的传输方向，数据个数等信息，ISP1581接收到命令后，通过中断方式通知单片机中的固件读取该命令，固件完成对DMA的初始化，如选择DMA端点，初始化DMA计数器，发送DMA命令等，ISP1581内部的DMA控制器在准备好后，将发出DREQ信号给外设DMA控制器，外设DMA控制器接收到DREQ信号后，做好数据传输准备，回应一个DACK信号，然后产生DIOR或者DIOW完成DMA传输。

　　外设DMA控制器是在FPGA中完成设计的，要正确设计GDMA控制器必需了解GDMA模式的工作时序(见图3)。图中已经初始化DREQ高有效，DACK低有效，DIOR和DIOW低有效，Tcy1为DMA读写周期，最快为12.8MHz，本设计使用10MHz。Tsu3为DIOR/DIOW有效前的DACK建立时间，最小可以为0。


图3 GDMA从机模式时序

　　外设DMA控制器电路设计如图4所示，当固件对ISP1581完成初始化并发出DMA传输命令后，ISP1581内部的DMA控制器在准备好传输后发出DREQ信号(高电平)，对该信号反相后可作为DACK信号(低电平)，图中R/信号为DMA读写控制信号，可以由固件控制产生，该信号和DACK及10MHz时钟信号相或后产生DIOR及DIOW信号。例如GDMA工作于写方式，数据从ISP1581内部RAM传送到外部双口RAM，控制器在接收到有效的DREQ信号后，经过反相，作为DACK信号回应ISP1581的DMA控制器，这时候固件通过控制R/W为高，该信号反相后与DACK及10MHz时钟相或产生DIOR，控制数据从内部RAM传送到外部双口RAM。双口RAM的控制信号及地址产生电路设计较为简单，可以结合DIOR及DIOW信号来产生。


图4  DMA控制电路图

软件设计

　　USB固件中实现DMA传输的相关程序包括初始化程序及传输控制程序，其信息处理流程如图5所示。

　　首先对DMA进行初始化，即设置一系列相关寄存器：DMA配置寄存器、DMA硬件寄存器、DMA中断使能寄存器、DMA中断源寄存器、DMA端点寄存器、DMA传输计数器寄存器、DMA命令寄存器等，初始化程序如下：

void DMA_Init(void)
{
//GDMA
D14_Cntrl_Reg.D14_D MA_COMMAND=0x11; //DMA复位
//设置DMA配置寄存器
//GDMA，16bit数据，DIOR/DIOW有效，允许DMA计数器，DREQ一直保持到传完数据
D14_Cntrl_Reg.D14_GDMA _CONFIG.VALUE=0x01;
D14_Cntrl_Reg.D14_UDM A_CONFIG.VALUE=0;
//设置DMA硬件寄存器
//DIOR/DIOW低电平有效，DREQ高电平有效，DACK低有效，GDMA从机方式，EOT低有效，正常数据
D14_Cntrl_Reg.D14_DMA _HARDWARE.VALUE=0x04;
//设置DMA中断使能寄存器
//DMA传输计数器为零中断，检测到一个外部或者内部EOT中断
D14_Cntrl_Reg.D14_DMA_INT_E NABLE.VALUE=0x000d; 
}

　　初始化完成后，接收PC机发来的DMA传输命令，该命令包含了数据的传输方向，数据个数等信息，然后设置DMA传输标志，主程序在检测到该标志后，调用DMA传输子程序，在该子程序中，根据DMA传输方向情况分别进行DMA读写处理，在发出DMA读或者写命令前还需要对DMA端点寄存器、DMA传输计数器寄存器进行初始化，完成这些工作后，ISP1581DMA控制器将向外设DMA控制器发送DMA传输请求信号DREQ，外设在准备好传输后，返回应答信号DACK，然后启动外设DMA控制器开始DMA传输，一次DMA传输最大1024个字节，一次是否传输完成通过检测DMA中断寄存器的标志位DMA_XFER_OK及EXT_EOT进行判断，DMA_XFER_OK为1，表明DMA传输结束，EXT_EOT是强行结束GDMA传输的外部信号，本设计没有使用，已经固定接为高电平(无效状态)，如果需要传输的数据大于1024字节，则需要多次传输才能完成，在传输完成后清除DMA传输标志。


图5  GDMA固件信息处理流程图

结语

　　通过采用DMA传输方式，USB在传输不大于1024字节数据时传输速度达到10M字/秒，但当需要传输的数据远大于1024字节时，由于DMA传输需要固件支持，实际的传输速度有所下降，设计中可以通过提高单片机的工作时钟来改善USB的传输速度。本设计已经成功应用到某测试设备中，提高了系统的数据传输速度，达到设计要求。

参考文献：
1. Philips Semiconductors公司，ISP1581 Programming Guide [EB/OL]，(2002年3月).http://www.flexiusb.com
2. 广州周立功单片机发展有限公司，ISP1581:USB2.0高速接口器件，[EB/OL].http://www.zlgmcu.com
3. 刘瑰、马鸣锦、朱鸿宇，基于USB接口芯片的DMA应用，电子技术，2004,(2)
4. 孙涵芳、徐爱卿，单片机原理及应用，北京航天航空大学出版社，1996
5. 萧世文、宋延清，USB2.0硬件设计，清华大学出版社，2006