实战篇---USB2.0内部存储器相关内容及固件配置程序

1. USB的寄存器有哪些？大概的结构是怎么样的？

1）内部存储器

2）外部存储器

2. 通过KEIL软件去配置的信息有哪些？

1) CPU时钟

2）模式选择寄存器

3）终端FIFO设置寄存器

4）AUTOPTRSETUP

5）EPxFIFOCFG

6）PKTEND

3. KEIL如何去配置？

1）所需工具及软件

2）上电初始化需要配置内容

3）调度

4） fw.c调用的代码

5）其余文件

1. USB的寄存器有哪些？大概的结构是怎么样的？

USB内部有8051控制器这个是肯定的，那么USB内部还有哪些存储区间呢？

主要有3个区域，内部数据存储器、外部数据存储器以及外部可编程的存储器。这里的外部并不是指IC的外部。

1）内部存储器

在内部的存储器中又有0X0000-0X3FFF的主RAM,和0XE000-0XE1FF的扩展RAM。片上RAM作为主RAM，可以作为程序和数据被访问，而扩展RAM只能作为数据访问。而有些系统是没有外部RAM的。例如56PIN的EZ-USB是没有片外数据和程序存储器，那么主RAM就需要既要存数据又要存程序，这时需要通过PSEN#和RD#去选通主RAM。对应到下图就是56PIN的USB没有右边的两列，只有左边的一列。左边地址分为0x0000-0x3FFF (main RAM) 、 0xE000-0xE1FF (Scratch RAM)、 0xE200-0xFFFF (Registers/Buffers)。EA PIN是外部访问PIN，=0表示主RAM可以数据和程序访问，仅在56或者100PIN的EZ-USB中，=1表示所有的程序在片外，而片上RAM包含主RAM只作为数据访问。

2）外部存储器

外部存储器：标准的8051是采用的哈佛结构，数据和程序是分开的，但是EZ-USB采用的是片外程序和数据是分开的，但是片上程序和数据统一的，采用冯诺依曼结构，这使得EZ-USB的片上RAM可以作为程序存储器加载外部资源。

如下是内部数据RAM，主要有upper 128, lower 128, and SFR 区域组成，SFR包含了EZ-USB的控制和状态寄存器。

下图是内部RAM地址在0XE000-0XFFFF的存储区间的寄存器内容。

2. 通过KEIL软件去配置的信息有哪些？

通过软件配置寄存器可以实现：操作模式的选择、终端设置，FIFO设置，备用配置，自动指针配置等，一般的寄存器采用默认值，具体设计时需要配置的PIN参考下面的部分；

1) CPU时钟

例如，将时钟配置为48M，将【b4,b3】设置为10。

2）模式选择寄存器

IFCONFIG: 配置FX1/FX2的工作模式是I/O端口、GPIF还是slave FIFO。

b7：设置GPIF和slave FIFO的时钟源，=0表示选择IFCLK的外部时钟，=1表示使用内部的30M或者48M时钟；

b6：=0表示使用30M，=1表示使用48M；

b5：IFCLK的输出使能，=0表示三态（关闭），=1表示Driver（打开）；

b4：IFCLK时钟反转；

b3：slave FIFO异步模式，=0表示同步，=1表示异步；

b[1:0]：接口模式选择

00：PORT 模式

01：GPIF模式

11：SLAVE FIFO模式

以上三种模式的基本使用，以56PIN的CY7C6801A为例，如下图所示，在I/O模式下，使用的端口为左边的这些。这种模式下一般没有其他的外设，GPIF和slave FIFO机制也存在，只是无效。而GPIF模式是内部作为master，去控制外部设备时使用。slave FIFO时外部设备作为master，内部FIFO作为从设备时使用。在不同模式下使用的接口参考下图。

从下图可以看出FX里面包含3部分，USB的SIE引擎，8051内核和与FIFO交互的外设接口。USB域主要是SIE工作，SIE发送和接收FIFO数据包，将令牌包解码及编码。一般主机通过USB与外设进行数据通信，数据被外设的逻辑进行处理，此时，数据流通过FIFO作为不同时钟域的异步处理站，数据流一般不通过内核处理。而使用FIFO 就设计到时内部作为master或者是外部作为master。8051主要工作在手动模式下，作为外设与USB的桥梁。在8051的控制下，接收来自装满USB数据的buffer的中断，并连接buffer到终端。当buffer中的bytes数满足需要的水平时，8051控制发送数据。每一个域都有各自的参考时钟。USB域的参考时钟的IC外部的晶振产生的24M时钟。INTERFACE域上传和下载终端FIFO的数据，外部的设备可以使用自己的时钟与FIFO接口通讯，也可以使用内部接口时钟IFCLK

例如：IFCONFIG=0X4B，表示选择48MIFCLK时钟，slave FIFO的异步模式。IFCLK不使用。

以slave FIFO为例说明，下图是 slave FIFO模式下的FX结构体图：

需要配置的寄存器如下：

3）终端FIFO设置寄存器

EPxCFG：配置EPX是否使用、方向、深度以及buffer数量

bit7: VALID =1, activate an endpoint; =0, to deactivate it;

bit6: DIR =1, IN; =0,OUT;

bit[5:4]: YPRE =00, invalid; =01 isochronous；=10 BULK；=11 interrupt;

bit3: SIZE =1, 1024bytes； =0，512bytes；

bit2: reserved;

bit[1:0]: BUF =00，quad buffer; =01, invalid; =10 double buffer; =11, triple buffer;

buffer的概念：在FX中buffer只是FIFO作为数据缓冲时使用，通过上面的配置可以设定EPX使用2，3或者4个buffer，每个buffer一般为512 bytes，当外部主机往USB中传送数据时，如果一个FIFO满了，还需要继续传输数据的话，内部逻辑会自动控制切换使下一个buffer有效，主机将往有效的buffer中继续写入数据。这将使得在传入到上一个Buffer的数据被USB或者外部的设备使用时还能有空间去保存主机传过来的数据，而不至于数据丢失。而在此操作的同时，USB和外部设备时不知道哪个buffer有效的，他们只是把终端作为一个512bytes的存储设备FIFO在用，至于主控、USB、外部设备访问的终端的哪个buffer是由上面说的内部逻辑机制运行的。

在FX中有一个full-speed模式，在此模式下，如果一个终端被配置成bulk，不管实际的物理终端Buffer是否是512 bytes，8051内核和外部master只能将这个终端buffer看成64 bytes深度。因为在全速模式下，终端FIFO是quantum FIFO，数据包被分配成一个quantum FIFO的大小（可以使用EPXCFG的SIZE bit去设置每一个quantum FIFO的物理大小）。8051应将其FIFO访问限制为最大深度，该深度由wMaxPacketSize和FIFO大小（由大小位设置）中的较小者定义。对于bulk 端点，为64 bytes。基于此，在设置时，最好将FIFO 的buffer大小设置为512而不是1024bytes，更能减少未使用字节的浪费。

另外，在 ISOCHRONOUS full-speed模式下，可以使用wMaxPacketSize设置buffer深度为512或者1024 bytes。

上面提到的quantum FIFO，指的是在FX1结构下，数据包会立即在USB和FIFO之间传输（瞬间完成传输），而不需要内核的干预，内核只是起到配置接口的作用。每次传入到 FX1's FIFO的大小的USB-size的数据包，而不是一次一个byte。因此，当empty flag从1跳到0变成非空时，FIFO的数据量时USB包的大小，而不是增加了一个Bytes。通过这种方式，做到了高速传输。

FX1对于FIFO填满USB数据后如何处理EPX FIFO，有两种方式。这取决于端点FIFO的模式设置，由EPx-FIFOCFG寄存器（x=2,4,6,8）的位3和4设置，包括自动模式和手动模式。根据不同的模式，决定8051内核是否参与处理。在手动模式下，8051具有对端点FIFO缓冲区中数据的初始访问权。通过启动（ariming）端点，OUT endpoint buffer的控制权转移到USB域。当一个OUT端点处于待命（arming）状态时，它处于USB域的控制之下。USB内核收到主机发送的数据，并发送ACK。一旦内核发送了ACK，8051就可以访问FIFO缓冲区，并可以根据需要修改数据。然后8051可以将数据移动到接口域，也可以忽略它。一旦数据包被提交到接口域，8051就失去了对FIFO缓冲器的访问，接口域可以开始访问FIFO的数据。而在接口域中，FIFO可以被内部的master控制也可以被外部的master控制。（arming endpoint 意思是将数据包的控制权转移到USB域，8051也可能通过往bytes count register EPXBXH写bytes 数来启动终端，其放在数据包中发送给主机。IN 终端只能被8051启动。）

外部master可以提供时钟或读写使能信号进行同步操作，也可以通过选通信号进行异步操作。在这种slave FIFO模式下，外部设备可以通过各种控制信号访问FIFO。另一种就是被内部GPIF控制，直接连接FIFO并为外部逻辑接口生成用户编程控制信号。此外，通过在其RDY引脚上采样外部信号，可以使GPIF等待外部事件触发。GPIF的运行速度比FIFO数据速率快得多，为定时信号提供了良好的可编程分辨率。它可以通过内部FX1时钟或外部提供的时钟进行计时。

不同的域访问FIFO时会有不同的寄存器去指示FIFO的运行状态。EPXFIFOFLAGS寄存器指示的是外设控制下的FIFO状态。EP2468STAT指示的是8051控制下的FIFO状态。

4）AUTOPTRSETUP

在RAM中的终端数据，EPX，可以给CPU使用。在某些情况下，固件可以更快地访问EPx的数据，就像它在FIFO寄存器中一样。EZ-USB提供两个特殊的数据指针，称为“自动指针”，在每次字节传输后会自动递增。通过使用自动指针，固件可以作为FIFO去访问片内或片外数据存储器的连续块。

APTRxINC=0,固定地址指针，=1时，每次读写XAUTODAT将地址指针将自动增加。
APTREN=1，使能自动指针。

要使用自动指针读取或写入连续内存块（例如，端点缓冲区），请使用块的起始地址加载到自动指针的地址寄存器，然后重复读取或写入自动指针指向的数据寄存器。

5）EPxFIFOCFG

6）PKTEND

在看数据手册时，发现有一个引脚，在手册上是有的，但是实际并没有使用。PKTEND这个PIN。这里也简单介绍一下。

什么时候使用这个PIN呢？

外部master通过这个PIN将IN 包发送给USB，并不管这个包的长度大小，通常在master想要去发送一个短包时使用。例如当包的尺寸比寄存器EPxAUTOINLENH:L定义的都小时。假设EP4AUTOINLENH:L设置为512字节的默认值。如果AUTOIN=1，则外部主机可以连续将数据流传输到FIFO 4，并且（数据路径中没有任何瓶颈）只要FIFO充满512字节，EZ-USB就会自动将数据包提交到USB。如果主机想要发送不是512倍数的长度的数据流时，最后一个数据包不会自动提交到USB，因为它小于512字节。如果要提交最后一个数据包，主机可以通过以下两种方式：1. 可以用虚拟数据填充数据包，使其长度达到512字节；2. 可以将短数据包写入FIFO，然后激活 PKTEND引脚（默认是低电平）。通过FIFOPINPOLAR寄存器可以改变此引脚的电平。

使用时需注意：

1）在一个数据包无效时不可使用此PIN，即使需要发送一个0长度的数据包。判断一个数据包是否有效通过‘FULL’ FLAG。

2）在同步模式下，对于SLWR，PKTEND输入没有特定的时序要求。PKTEND可以随时输入。在异步模式下，SLWR和PKTEND不可同时输入。PKTEND信号必须在SLWR信号输入一段时间后才能输入，这段时间至少为最小脉冲宽度。在这两种模式中，在PKTEND引脚输入期间，FIFOADR[1:0]应保持不变。

3. KEIL如何去配置？

1）所需工具及软件

keil --- 用于对固件库编程，生成USB工作的寄存器配置文件，IIC文件；（生成的.hex文件是烧录到8051内部RAM的，而.iic文件是烧录到外部的EEPROM的）

CYconsole的EZ-USB的上位机软件，用于将KEIL生成的IIC文件烧录到IC的外部EEPROM中，并连接主机和USB，进行数据的发送和读取；

带有CY7C68013A IC开发板；

USB数据线。

KEIL项目工程截图：

初次打开EZ-USB提供的工程会出现一些设置BUG，可以参考下面博客：

实战篇---USB2.0 KEIL配置及调试BUG_weixin_41155462的博客-CSDN博客https://blog.csdn.net/weixin_41155462/article/details/120899672?spm=1001.2014.3001.5502

2）上电初始化需要配置内容

对寄存器CPUCS, IFCONFIG, PINFLAGSxx, PORTxCFG, EPxCFG, FIFOINPOLAR, EPxFIFOCFG，EPxBC, AUTOPTRSETUP等进行初始话配置；

以上主要包含CPU的时钟、USB的工作模式、终端的模式（选择哪个终端、方向、FIFO大小、buffer等）、FIFO接口有效电平设置。

同时，在程序中需要加入----同步延时：在两次往0xE600-0xE6FF地址的寄存器和下表的寄存器中写，或者一次往下表的寄存器中写与从0xE600-0xE6FF地址读之间需要进行延时。因为往CPU和FIFO相关的寄存器中读写数据，两个的参考时钟是不一样的。在KEIL程序中用MOVX指令去做延时。

void TD_Init(void)             // Called once at startup
{// set the CPU clock to 48MHzCPUCS = ((CPUCS & ~bmCLKSPD) | bmCLKSPD1) ; //CPU时钟// Set Slave FIFO mode  IFCONFIG |=  0x4B;           // Registers which require a synchronization delay, see section 15.14// FIFORESET        FIFOPINPOLAR// INPKTEND         OUTPKTEND// EPxBCH:L         REVCTL// GPIFTCB3         GPIFTCB2// GPIFTCB1         GPIFTCB0// EPxFIFOPFH:L     EPxAUTOINLENH:L// EPxFIFOCFG       EPxGPIFFLGSEL// PINFLAGSxx       EPxFIFOIRQ// EPxFIFOIE        GPIFIRQ// GPIFIE           GPIFADRH:L// UDMACRCH:L       EPxGPIFTRIG// GPIFTRIG// Note: The pre-REVE EPxGPIFTCH/L register are affected, as well...//      ...these have been replaced by GPIFTC[B3:B0] registers// default: all endpoints have their VALID bit set// default: TYPE1 = 1 and TYPE0 = 0 --> BULK  // default: EP2 and EP4 DIR bits are 0 (OUT direction)// default: EP6 and EP8 DIR bits are 1 (IN direction)// default: EP2, EP4, EP6, and EP8 are double bufferedSYNCDELAY;          //同步延时// PINFLAGSxxPINFLAGSAB = 0xC8;            // FLAGB - fixed EP2FF  FLAGA - EP2EFSYNCDELAY;PINFLAGSCD = 0xDE;            // FLAGD - unvalid      FLAGC - fixed EP6FFSYNCDELAY;//PORTxCFGPORTACFG = 0x40;              // func. of PA7 pin is SLCS#SYNCDELAY;//FIFOINPOLARFIFOPINPOLAR = 0x00;          // all signals active low, slave FIFO interface pins polaritySYNCDELAY;// we are just using the default values, yes this is not necessary...//EPxCFGEP1OUTCFG = 0xA0;EP1INCFG = 0xA0;SYNCDELAY;                    // see TRM section 15.14EP2CFG = 0xA2;               //EP2 OUT, 512BYTE BULK, DUBBLE BUFFERSYNCDELAY;                    EP4CFG = 0xA0;                 //EP4 OUT, BULKSYNCDELAY;                    EP6CFG = 0xE2;                //EP6 IN, 512BYTE BULK,  DUBBLE BUFFERSYNCDELAY;                    EP8CFG = 0xE0;                //EP8 IN, BULK// handle the case where we were already in AUTO mode...//EPxFIFOCFGEP2FIFOCFG = 0x00;            // AUTOOUT=0, WORDWIDE=0EP4FIFOCFG = 0x00;            // AUTOOUT=0, WORDWIDE=0SYNCDELAY;EP2FIFOCFG = 0x11;            // AUTOOUT=1, WORDWIDE=1EP4FIFOCFG = 0x11;            // AUTOOUT=1, WORDWIDE=1SYNCDELAY;EP6FIFOCFG = 0x00;            // AUTOIN=0, WORDWIDE=0EP8FIFOCFG = 0x00;            // AUTOIN=0, WORDWIDE=0SYNCDELAY;EP6FIFOCFG = 0x09;            // AUTOIN=1, WORDWIDE=1EP8FIFOCFG = 0x09;            // AUTOIN=1, WORDWIDE=1SYNCDELAY;// out endpoints do not come up armed// since the defaults are double buffered we must write dummy byte counts twiceSYNCDELAY;  //EPxBCL  EP2BCL = 0x80;                // arm EP2OUT by writing byte count w/skip.SYNCDELAY;                    EP2BCL = 0x80;SYNCDELAY;                    EP4BCL = 0x80;                // arm EP4OUT by writing byte count w/skip.SYNCDELAY;                    EP4BCL = 0x80;    // enable dual autopointer feature//AUTOPTRSETUP (sfr register)AUTOPTRSETUP |= 0x01;}

3）调度

USB反复调用的程序部分，即功能实现部分代码。例如上篇博客实现的从EP2读取数据存放到EP6，反复执行。

void TD_Poll(void)              // Called repeatedly while the device is idle
{WORD i;WORD count;if(!(EP2468STAT & bmEP2EMPTY)){ // check EP2 EMPTY(busy) bit in EP2468STAT (SFR), core set's this bit when FIFO is emptyif(!(EP2468STAT & bmEP6FULL)){  // check EP6 FULL(busy) bit in EP2468STAT (SFR), core set's this bit when FIFO is fullAPTR1H = MSB( &EP2FIFOBUF );APTR1L = LSB( &EP2FIFOBUF );AUTOPTRH2 = MSB( &EP6FIFOBUF );AUTOPTRL2 = LSB( &EP6FIFOBUF );count = (EP2BCH << 8) + EP2BCL;// loop EP2OUT buffer data to EP6INfor( i = 0x0000; i < count; i++ ){// setup to transfer EP2OUT buffer to EP6IN buffer using AUTOPOINTER(s)EXTAUTODAT2 = EXTAUTODAT1;}EP6BCH = EP2BCH;  SYNCDELAY;  EP6BCL = EP2BCL;        // arm EP6INSYNCDELAY;                    EP2BCL = 0x80;          // re(arm) EP2OUT}}if(!(EP2468STAT & bmEP4EMPTY)){ // check EP4 EMPTY(busy) bit in EP2468STAT (SFR), core set's this bit when FIFO is emptyif(!(EP2468STAT & bmEP8FULL)){  // check EP8 FULL(busy) bit in EP2468STAT (SFR), core set's this bit when FIFO is fullAPTR1H = MSB( &EP4FIFOBUF );APTR1L = LSB( &EP4FIFOBUF );AUTOPTRH2 = MSB( &EP8FIFOBUF );AUTOPTRL2 = LSB( &EP8FIFOBUF );count = (EP4BCH << 8) + EP4BCL;// loop EP4OUT buffer data to EP8INfor( i = 0x0000; i < count; i++ ){// setup to transfer EP4OUT buffer to EP8IN buffer using AUTOPOINTER(s)EXTAUTODAT2 = EXTAUTODAT1;}EP8BCH = EP4BCH;  SYNCDELAY;  EP8BCL = EP4BCL;        // arm EP8INSYNCDELAY;                    EP4BCL = 0x80;          // re(arm) EP4OUT}}
}

4） fw.c调用的代码

fw.c文件是USB固件根本，USB的协议部分都在这里。

5）其余文件

dscr.51：USB描述符文件

fx2.h：预定义，宏及函数声明

fx2regs.h：68013的寄存器地址定义。

syncdly.h：同步延时。在其他文件里经常调用的一个函数SYNCDELAY就是这里定义的。

intrins.h：C51一些数据类型及函数定义。

代码的注释可以参考下面的博文：

USB2.0开发之bulkloop固件工程代码注释 - 细节怪 - 博客园 (cnblogs.com)https://www.cnblogs.com/gavin-gao1995/p/11684011.html

疑问：

1）EZ-USB中的quantum FIFO功能和普通功能怎么区分？什么时候使用哪个？对于FIFO什么时候是字节写入？什么时候是以USB包写入？

2）什么时候使用自动模式，什么时候使用手动模式？

在auto模式下，数据流实在USB和FIFO之间连续传输的，不需要CPU固件封装数据包。这时可以达到最大的传输带宽。

功能实现：

1. 上篇博文实现的异步读EP2的数据然后写到EP6功能是否可以提高速率？

2. 除了上述的功能之外，是否可以实现同步的读写？

3. 是否还有其他的功能？

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