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基于ＵＳＢ接口的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計
【摘 要】數(shù)據(jù)傳輸是現(xiàn)代通信過程中的一個重要環(huán)節(jié)。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，不僅要求數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率要高，而且要求速度快、連接過程簡單。傳統(tǒng)的通信技術(shù)是通過數(shù)據(jù)線和串口/并口將設(shè)備連接在一起，這樣就存在連接不方便、受限條件較多等因素；并且傳統(tǒng)的RS232串口通訊和并口通訊都存在傳輸速度低、接口的連接過于復(fù)雜等不足之處。而基于USB接口的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠較好的解決這些問題。本文所介紹的一種基于USB接口的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，利用了USB接口的高傳輸速率、安全性高、即插即用等優(yōu)點，并結(jié)合了現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實現(xiàn)了計算機(jī)之間的高速安全的數(shù)據(jù)通訊，解決了傳統(tǒng)通信技術(shù)帶給我們的不便。
【關(guān)鍵詞】USB接口 數(shù)據(jù)傳輸 ARMS3C44BOX 芯片
現(xiàn)代社會生產(chǎn)的各行業(yè)和日常生活都需要對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。利用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,存在速度慢、擴(kuò)展性差、安裝麻煩、易受各種環(huán)境的干擾,在許多場合尤其是便攜式應(yīng)用場合不方便等缺點。目前廣泛應(yīng)用的USB2.0接口技術(shù)具有安裝方便、帶寬高、成本低、可靠性高、易于擴(kuò)展等優(yōu)點。目前USB2.0支持的最高傳輸速度可達(dá)到480Mbps,基本能夠滿足日益復(fù)雜的高級外設(shè)與PC機(jī)之間的高性能連接需求,正逐漸成為現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸發(fā)展的必然趨勢之一。鑒于此,本系統(tǒng)采用USB2.0技術(shù)運用ARM芯片進(jìn)行通信接口的設(shè)計。
1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
基于USB接口的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)總體方案如下圖所示，該系統(tǒng)主要由發(fā)射和接收兩部分組成。其中，發(fā)射系統(tǒng)由ARM芯片控制射頻發(fā)射模塊和ARM控制USB芯片兩部分組成。系統(tǒng)的工作過程為：主機(jī)將數(shù)據(jù)通過USB接口傳給ARM，數(shù)據(jù)通過ARM的SPI口再傳給射頻發(fā)射模塊，最后由射頻發(fā)射模塊把數(shù)據(jù)發(fā)射出去。射頻接收端接收到符合的數(shù)據(jù)包后，通知ARM讀取數(shù)據(jù)，ARM將數(shù)據(jù)通過USB接口送給主機(jī)，這樣就完成了一個數(shù)據(jù)包從發(fā)射端到接收端的傳輸。
1.1 USB接口芯片和主控制器芯片的選擇
USB控制器有2類,一種是集成了USB接口的單片機(jī),如Cypress公司生產(chǎn)的EZ2USB (基于8051)系列芯片CY7C68013、CY7C64613等;另一種是單獨的USB控制器,如Philips公司的PDIUSBD12、ISP1581 ,NetChip公司的NET2888 ,National公司的USBN9603、USBN9604等。第一種開發(fā)工具雖然編程簡單,但需要購置專門的開發(fā)系統(tǒng),投資較大,并且單片機(jī)性能有限；后種芯片的特點是價格低廉、連接方便、可靠性高,但其片上不帶CPU ,必須選擇微處理器來進(jìn)行協(xié)議處理和數(shù)據(jù)交換。本系統(tǒng)選擇了片上不帶CPU的性價比較高的USB 2. 0控制芯片ISP1581 ,它完全符合USB 2. 0規(guī)范,傳輸率可達(dá)480 Mbps ,采用ISP1581可以快速開發(fā)出高性能的USB2. 0設(shè)備,同時為了滿足速度要求,主控器芯片選擇了高性能、低功耗的ARM芯片S3C44BOX。
1.2 ARMS3C44BOX的工作原理
S3C44BOX微處理器是由Samsung Electronics Co.,Ltd為手持設(shè)備設(shè)計的低功耗、高度集成的基于ARM7TDMI核的微處理器。S3C44BOX具有豐富的內(nèi)置部件，包括：8KBcache,內(nèi)部SRAM，LCD控制器，帶自動握手的2通道UART，4通道DMA，系統(tǒng)管理器（片選邏輯，F(xiàn)P/EDO/SDRAM控制器），代用PWM功能的5通道定制器，I/O端口，RTC，8通道10位ADC，ⅡC-BUS接口，ⅡS-BUS接口，同步SIO接口和PLL備頻器。S3C44BOX采用了一種新的總線結(jié)構(gòu)，即SAMBAⅡ（Samsung ARM CPU 嵌入式微處理器總線結(jié)構(gòu)）和0.25um工藝的CMOS標(biāo)準(zhǔn)宏7單元和存儲編譯器。它的低功耗精簡和出色的全靜態(tài)設(shè)計特別適用與對成本和功耗敏感的應(yīng)用。
1.2.1 S3C44BOX中斷概述
ARM7TDMI具有外部中斷(IRQ)、快速中斷(FIQ)和軟件中斷（Software Interrupt）三種中斷方式，其中外部中斷和快速中斷均是硬件中斷。對于ARM7TDMI內(nèi)核的微處理器來說，中斷是作為一種異常來處理的。S3C44BOX的中斷控制器可以接收來自30個中斷源的中斷請求。這些中斷源來自DMA、UART、SIO等芯片內(nèi)部外圍或接口芯片的外部引腳。
中斷控制器的任務(wù)是在片內(nèi)外圍和外部中斷源組成的多重中斷發(fā)生時，經(jīng)過優(yōu)先級判斷選擇其中的一個中斷，通過FIQ（快速中斷請求）或IRQ（通用中斷請求）向ARM7TDMI內(nèi)核發(fā)出FIQ或IRQ中斷請求。
實際上最初ARM7TDMI內(nèi)核只有FIQ和IRQ兩種中斷，其他的中斷都是各芯片廠家在設(shè)計芯片時定義的，這些中斷根據(jù)中斷的優(yōu)先級高低來進(jìn)行處理。特別的是，為了解決一般的中斷模式在進(jìn)入所需的服務(wù)程序前需要很長的中斷反應(yīng)時間的問題，S3C44BOX提供了一種新的中斷模式——矢量中斷模式。它具有CISC結(jié)構(gòu)微控制器的特征，能夠縮短中斷反應(yīng)時間。
1.2.2 S3C44BOX中斷處理流程
S3C44BOX處理器的中斷處理與其他處理器的處理模式基本上是一致的，只是由于引入了幾種不同的處理器模式，使中斷處理變得更容易。中斷處理的典型步驟如下：
第1步：保存現(xiàn)場。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)中斷時，處理器首先要做的就是保存現(xiàn)場，這一過程包括：
保存當(dāng)前的PC值到lr(鏈接寄存器)中，保存當(dāng)前程序運行狀態(tài)CPSR到程序狀態(tài)保存寄存器SPSR中。由于ARM7TDMI采用了三級流水線結(jié)構(gòu)，此時的PC值實際上等于當(dāng)前指令地址加上8（ARM指令時），則返回時還需要將保存的PC值減4，得到當(dāng)前指令的下一條指令。
第2步：模式切換。設(shè)置當(dāng)前程序狀態(tài)CPSR中相應(yīng)的位，使處理器進(jìn)入相應(yīng)的執(zhí)行模式。如當(dāng)進(jìn)入FIQ模式時，禁止FIQ中斷。
第3步：獲取中斷源。如IRQ中斷，都從向量地址0x18處開始執(zhí)行，通常在此地址處放一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到中斷程序。
第4步：處理中斷。獲取中斷源后，通過中斷向量表獲取相應(yīng)中斷的處理程序入口，調(diào)用對應(yīng)的中斷處理函數(shù)。
第5步：恢復(fù)現(xiàn)場，中斷返回。返回時需要恢復(fù)處理器模式，包括恢復(fù)中斷處理用到的所有寄存器、恢復(fù)被中斷的程序狀態(tài)到當(dāng)前程序狀態(tài)CPSR，并跳轉(zhuǎn)到被中斷的主程序。
2 USB 設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)
當(dāng)外設(shè)連接到主機(jī)上的USB接口時，主機(jī)會檢測到新硬件，這時需安裝一個驅(qū)動程序，在該驅(qū)動程序中包含了一個動態(tài)鏈接庫（DLL）。該DLL由四部分組成：Classic Interface Functions、EEPROM Interface、Extended API和FT-Win32 API。Classic Interface Functions中包括FT_Open、FT_Read、FT_Write、FT_Close、FT_SetTimeOuts等函數(shù)。
基于W indows2000和X P的U SB設(shè)備驅(qū)動程序采用W in32設(shè)備驅(qū)動模型WDM (W in32 D riverModel)。U SB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動程序處于固件程序和用戶態(tài)應(yīng)用程序之間,幫助操作系統(tǒng)識別U SB設(shè)備,同時建立主機(jī)與設(shè)備之間的通信。WDM驅(qū)動程序具有規(guī)范的模型,我們使用開發(fā)工具包D riverStudio s中的D riverWo rk s進(jìn)行U SB總線驅(qū)動程序的開發(fā),利用其向?qū)Чδ苌沈?qū)動程序框架,然后根據(jù)具體情況添加適當(dāng)代碼,經(jīng)過編譯、調(diào)試,構(gòu)造驅(qū)動程序. sys文件。使用D riverWo rk s還可以生成驅(qū)動程序的安裝文件( IN F文件) ,用以將USB設(shè)備及接口安裝在主機(jī)上。這個過程是非常方便、快捷的。
3.結(jié)論
隨著數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展,在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中采用USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)的高速傳輸已經(jīng)得到非常廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)通過ARM芯片S3C44BOX進(jìn)行USB接口的控制，在主機(jī)端用VB編寫了USB軟件，實現(xiàn)了兩臺設(shè)備之間的快速數(shù)據(jù)傳輸，解決了傳統(tǒng)通信技術(shù)的不足，具有很好的應(yīng)用前景。當(dāng)然，在基于USB接口的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中,包括固件程序、WDM設(shè)備驅(qū)動程序以及用戶態(tài)應(yīng)用程序等在內(nèi)的軟件設(shè)計是非常關(guān)鍵的,軟件系統(tǒng)的設(shè)計需要建立在相關(guān)硬件系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)上,兩者只有完美結(jié)合才能設(shè)計出高效、安全的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
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