摘要：該應(yīng)用筆記對(duì)主機(jī)USB控制器MAX3421E版本1和2進(jìn)行了討論。MAX3421E采用雙緩沖發(fā)送FIFO向USB外設(shè)發(fā)送數(shù)據(jù)。在該器件的版本1和2中，需著重考慮OUT傳輸?shù)?a target="_blank">編程。該應(yīng)用筆記詳細(xì)說明了發(fā)送機(jī)制。并給出了單緩沖和雙緩沖OUT傳輸?shù)睦獭?

引言

MAX3421E是一款USB主機(jī)/外設(shè)控制器，也就是說，當(dāng)作為主機(jī)工作時(shí)，采用雙緩沖發(fā)送FIFO將數(shù)據(jù)發(fā)送至USB外設(shè)，這一對(duì)兒FIFO由兩個(gè)寄存器控制：

R2：NDFIFO，F(xiàn)IFO數(shù)據(jù)寄存器
R7：SNDBC，字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器

微控制器對(duì)SNDFIFO寄存器R2進(jìn)行重復(fù)寫操作，向FIFO寫入多達(dá)64字節(jié)的數(shù)據(jù)。然后，微控制器再對(duì)SNDBC寄存器進(jìn)行寫操作，完成以下3項(xiàng)任務(wù)：

1. 指明MAX3421E SIE (串行接口引擎) FIFO中需要發(fā)送的字節(jié)數(shù)。
2. 連接SNDFIFO和SNDBC寄存器至USB邏輯，以進(jìn)行USB通信。
3. 清除SNDBAVIRQ中斷標(biāo)志。如果第二個(gè)FIFO可以用于μC裝載的話，那么SNDBAVIRQ將立即重新觸發(fā)。

圖1. SNDFIFO寄存器和SNDBC寄存器載入一對(duì)“ping-pong”FIFO和字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器

如圖1所示，第一個(gè)FIFO字節(jié)不是由物理FIFO產(chǎn)生，而是由用來調(diào)諧兩個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘使其同步的同步寄存器產(chǎn)生，其中一個(gè)時(shí)鐘用于微控制器，另一個(gè)時(shí)鐘用于USB邏輯。

單緩沖傳輸編程

對(duì)于那些帶寬、無嚴(yán)格要求的簡(jiǎn)易傳輸而言，固件發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包相對(duì)比較簡(jiǎn)單。步驟如下：

1. 將字節(jié)載入SNDFIFO。
2. 將字節(jié)載入SNDBC寄存器。
3. 向HXFR寄存器寫入OUT PID和端點(diǎn)號(hào)，傳輸開始。
4. 等待HXFRDNIRQ (主機(jī)發(fā)送完成中斷請(qǐng)求)。
5. 從HRSL寄存器中讀取傳輸結(jié)果代碼。
   1. 如果為ACK，表明傳輸已完成。
   2. 如果為NAK，表明將進(jìn)入下一步。
6. 再次裝載第一個(gè)FIFO字節(jié)，重新開始傳輸：
   1. 寫SNDBC = 0，在微控制器控制下返回一個(gè)虛擬值，以切換含有OUT數(shù)據(jù)的FIFO。
   2. 僅將第一個(gè)FIFO字節(jié)重新寫入SNDFIFO寄存器，該字節(jié)進(jìn)入圖1中的SYNC寄存器。
   3. 再次將重新發(fā)送的數(shù)據(jù)包的字節(jié)數(shù)寫入SNDBC寄存器，這樣可切換FIFO返回至USB側(cè)，重新進(jìn)行USB通信。
   4. 進(jìn)入第3步，重新啟動(dòng)數(shù)據(jù)包。

由第4步可以看出該過程屬于單緩沖傳輸。由于需要等待完成第4步操作，故當(dāng)?shù)谝粋€(gè)FIFO從MAX3421E SNDFIFO移向USB外設(shè)時(shí)微控制器無需載入第二個(gè)FIFO。

若采用MAX3421E版本1，還需要執(zhí)行第6步，因此，每次重復(fù)USB OUT傳輸時(shí)，同步觸發(fā)器必須重新初始化。

雙緩沖傳輸編程

當(dāng)由多個(gè)64字節(jié)數(shù)據(jù)包組成的長(zhǎng)數(shù)據(jù)組從USB主機(jī)傳輸至USB外設(shè)時(shí)，利用雙緩沖可以提高性能。當(dāng)SNDFIFO連接至USB發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，微控制器同時(shí)把下一個(gè)64字節(jié)數(shù)據(jù)包載入其他SNDFIFO中，從而改善了系統(tǒng)性能。然而，其程序流程要比單緩沖傳輸稍微復(fù)雜。某些情況下，需要觸發(fā)FIFO (如得到NAK信號(hào)時(shí))，重新裝載第一個(gè)字節(jié)并重寫字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器，使其返回初始位置，這就要求程序隨時(shí)跟蹤數(shù)據(jù)的兩個(gè)緩沖器，圖2給出了雙緩沖傳輸?shù)囊环N可能流程。本應(yīng)用筆記最后給出了Send_OUT_Record()函數(shù)，實(shí)現(xiàn)圖2所示流程。


圖2. 雙緩沖OUT數(shù)據(jù)包傳輸流程

右側(cè)循環(huán)(步驟1至步驟4)將USB數(shù)據(jù)裝載到FIFO；而從第5步開始左側(cè)的循環(huán)則通過USB分配FIFO，并處理NAK重試。“First pass?”判斷(步驟3)確保在主控制器載入第一個(gè)SNDFIFO后，USB傳輸立即開始。設(shè)計(jì)該流程圖時(shí)使FIFO加載優(yōu)先級(jí)高于發(fā)送優(yōu)先級(jí)，因此，仍能保持雙緩沖性能。

該流程最好從以下三個(gè)方面考慮：

1. 發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包(1至64字節(jié)總有效載荷)。
2. 發(fā)送兩個(gè)數(shù)據(jù)包(65至128字節(jié)總有效載荷)。
3. 發(fā)送三個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)包(129或更多字節(jié)總有效載荷)。

請(qǐng)參考本應(yīng)用筆記最后給出的Send_OUT_Record()函數(shù)例程，調(diào)用程序需向該函數(shù)傳送4個(gè)參數(shù)：

1. ep，為OUT數(shù)據(jù)包分配的終端號(hào)
2. *pBUF，裝滿數(shù)據(jù)字節(jié)的緩沖器指針
3. TBC發(fā)送總字節(jié)數(shù)(緩沖器中的字節(jié)數(shù))
4. NAKLimit，在停止和返回之前，從外設(shè)接收的連續(xù)NAK響應(yīng)個(gè)數(shù)

該函數(shù)返回發(fā)送最后一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)讀取的MAX3421E主機(jī)計(jì)算結(jié)果代碼寄存器(HRSL)的數(shù)值。如果傳輸成功，數(shù)值將為“ACK”，如果超出NAK極限值，或因其它問題終止產(chǎn)生錯(cuò)誤代碼，則數(shù)值為“NAK”。

發(fā)送一個(gè)OUT數(shù)據(jù)包

當(dāng)發(fā)送的字節(jié)數(shù)等于或小于64字節(jié)時(shí)，從步驟1開始循環(huán)。若步驟1的結(jié)果為真，則SPI主機(jī)寫SNDFIFO。如果在第10步中需要用到BC和FB，也就是說，外設(shè)以“NAK”響應(yīng)OUT傳輸時(shí)，函數(shù)保存字節(jié)數(shù)(BC)和SNDFIFO第一個(gè)字節(jié)(FB)。由于這是第一次數(shù)據(jù)傳輸，函數(shù)從第4步開始進(jìn)行OUT傳輸。直至沒有字節(jié)需要發(fā)送時(shí)再返回步驟1，然后函數(shù)在第5步等待傳輸完成，并在第6步測(cè)試設(shè)備響應(yīng)。在該點(diǎn)上如果得到ACK，步驟7檢測(cè)到?jīng)]有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，則函數(shù)將在步驟11返回。然而，如果該點(diǎn)得到NAK，則在步驟9測(cè)試NAK極限值，如果超出該極限值，則在步驟10和步驟4中重新發(fā)送數(shù)據(jù)包。

發(fā)送兩個(gè)OUT數(shù)據(jù)包

若發(fā)送的字節(jié)數(shù)介于65和128之間，則函數(shù)從步驟1處再次開始循環(huán)。如上所述，函數(shù)先寫滿第一個(gè)SNDFIFO，從步驟2開始立即進(jìn)行傳輸直至步驟4。然后函數(shù)返回至步驟1，發(fā)現(xiàn)還有數(shù)據(jù)等待發(fā)送，于是在步驟2中再次寫滿SNDFIFO。由于這不是第一次傳輸，因此，在步驟4函數(shù)不能開始傳輸下一個(gè)數(shù)據(jù)包。再次返回至步驟1時(shí)，第一個(gè)SNDFIFO通過USB傳輸?shù)谝粋€(gè)數(shù)據(jù)包，與此同時(shí)，第二個(gè)數(shù)據(jù)包仍處于第二個(gè)SNDFIFO中，做好傳輸準(zhǔn)備。需要注意的是，在步驟2中，函數(shù)實(shí)際保存了兩組BC/FB數(shù)據(jù)(字節(jié)計(jì)數(shù)和FIFO第一個(gè)字節(jié))，一組為當(dāng)前正在傳輸?shù)腟NDFIFO，另一組為在第二個(gè)SNDFIFO中等待的即將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。若沒有數(shù)據(jù)需要發(fā)送(并且兩個(gè)SNDFIFO都裝滿了數(shù)據(jù))，則控制流程進(jìn)入步驟5。

函數(shù)在步驟5中等待傳輸?shù)谝粋€(gè)數(shù)據(jù)包，然后在步驟6判斷傳輸結(jié)果。如上所述，如果數(shù)據(jù)包為“NAK'd”，函數(shù)在第10步將未決的BC/FB數(shù)值重新載入FIFO和字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器中，在步驟4重新發(fā)送數(shù)據(jù)包，流程分支返回至步驟5 (通過步驟1)，等待傳輸完成。每產(chǎn)生一個(gè)NAK，按步驟5-6-9-10-4-5循環(huán)往復(fù)，直至接收到ACK或達(dá)到NAK極限值為止。

如果外設(shè)應(yīng)答(ACK) OUT傳輸，函數(shù)在步驟7測(cè)試流程是否終止。如果沒有完成，則函數(shù)流程進(jìn)入步驟8，發(fā)送正在第二個(gè)SNDFIFO中等待的下一個(gè)數(shù)據(jù)包。在步驟8中，函數(shù)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)：如果步驟10中需要載入“未決的” BC/FC數(shù)值，將這些數(shù)值復(fù)制到“當(dāng)前” BC/FC變量；通過加載當(dāng)前字節(jié)數(shù)，切換第二個(gè)SNDFIFO至USB；在步驟4中開始傳輸OUT數(shù)據(jù)。每接收到一個(gè)NAK信號(hào)，便如上所述循環(huán)操作。若在步驟7至步驟11過程中接收到ACK響應(yīng)，則函數(shù)退出。

發(fā)送三個(gè)或更多個(gè)OUT數(shù)據(jù)包

在一個(gè)數(shù)據(jù)包正在發(fā)送，而另一個(gè)數(shù)據(jù)包將要開始發(fā)送(等待第二個(gè)SNDFIFO)之前，該函數(shù)基本上是按照先前發(fā)送兩個(gè)數(shù)據(jù)包的流程進(jìn)行的。每次函數(shù)均在第4步開始啟動(dòng)另一個(gè)數(shù)據(jù)包，在步驟1判斷是否還有數(shù)據(jù)需載入SNDFIFO中。必須在還有數(shù)據(jù)需要發(fā)送，同時(shí)程序流程中FIFO有效的情況下，才能進(jìn)入步驟2。因?yàn)椴襟E1至步驟3中“寫SNDFIFO”循環(huán)的優(yōu)先級(jí)高于步驟5...4的“發(fā)送FIFO”循環(huán)，因此數(shù)據(jù)通過USB傳輸時(shí)總是被寫入SNDFIFO，從而實(shí)現(xiàn)雙緩沖。

性能

圖3. MAX3421E載入和發(fā)送USB數(shù)據(jù)包的示波器曲線

圖3為所示為用Send_OUT_Record()函數(shù)載入和發(fā)送64字節(jié)OUT數(shù)據(jù)包時(shí)疊加的示波器曲線。數(shù)據(jù)的大小為512個(gè)字節(jié)，由8個(gè)64字節(jié)數(shù)據(jù)包組成。由圖中可以看出，與MAX3421E相連的外設(shè)不產(chǎn)生NAK信號(hào)，因此可對(duì)最大傳輸帶寬進(jìn)行測(cè)量，示波器一次就可捕獲整個(gè)傳輸過程。

最上面的兩條曲線為SPI主機(jī)(SPI硬件具有ARM7)通過SPI端口向MAX3421E SNDFIFO載入64字節(jié)數(shù)據(jù)的曲線。每次寫SNDFIFO時(shí)，SS# (從機(jī)選擇)線路為低電平，SCK (串行時(shí)鐘)脈沖為65 x 8，每當(dāng)載入命令字節(jié)時(shí)，向64字節(jié)數(shù)據(jù)提供8個(gè)時(shí)鐘脈沖。在該曲線開始之前，第一次SNDFIFO加載結(jié)束，因此，圖3給出了7次SNDFIFO載入時(shí)的情況。

第三條曲線是USB D+信號(hào)，表示64字節(jié)OUT數(shù)據(jù)包正通過USB從主機(jī)MAX3421E向外設(shè)傳輸。最下面一條曲線是脈沖，表示ARM7載入MAX3421E HXFR寄存器，開始傳輸。

需要注意的是：在USB數(shù)據(jù)包開始不久，ARM7開始載入第二個(gè)SNDFIFO，同時(shí)USB數(shù)據(jù)包在總線上進(jìn)行傳輸。這一雙緩沖過程可大大改善傳輸帶寬。

帶寬測(cè)試

圖4. 圖3傳輸過程的CATC (LeCroy)和總線分析結(jié)果

如圖4所示，Send_OUT_Record()函數(shù)以6.76Mbps速率傳輸521字節(jié)的數(shù)據(jù)。作為參考，與PC相連的USB全速USB thumb drive采用UHCI USB控制器(USB的唯一附件) 以5.94Mbps速率傳輸512字節(jié)的數(shù)據(jù)。

方案實(shí)現(xiàn)中的注意事項(xiàng)

以下提供的代碼實(shí)例是采用Maxim USB函數(shù)庫進(jìn)行編寫和測(cè)試的，Maxim USB函數(shù)庫的詳細(xì)說明請(qǐng)參見應(yīng)用筆記3936，"Maxim USB庫"。該函數(shù)庫工具包含MAX3421E 和MAX3420E USB外設(shè)控制器。若要對(duì)固件進(jìn)行測(cè)試的話，采用USB電纜將MAX3421E主機(jī)連接至MAX3420E外設(shè)，通過將標(biāo)為"*1*"的語句注釋掉，使MAX3420E接受每個(gè)OUT傳輸(無NAK)。

注： MAX3421E的未來版本將不會(huì)再涉及到FIFO的重新載入問題。只需重寫HXFR寄存器，MAX3421E就可重新啟動(dòng)一個(gè)OUT數(shù)據(jù)包。這種改進(jìn)不再需要Send_OUT_Record()函數(shù)。

Send_OUT_Record()函數(shù)實(shí)例

// *******************************************************************************
// Send an OUT record to end point 'ep'.
// pBuf points to the byte buffer; TBC is total byte count.
// NAKLimit is the number of NAKs to accept before returning.
//
// Returns HRSL code (0 for success, 4 for NAK limit exceeded, HRSL for problems)
// *******************************************************************************
//
BYTE Send_OUT_Record(BYTE ep, BYTE *pBuf, WORD TBC, WORD NAKLimit)
{
static WORD NAKct,rb;           // Buf index, NAK counter, remaining bytes to send
WORD bytes2send;                // temp
BYTE Available_Buffers;         // Remaining buffers count (0-2)
BYTE FI_FB;                     // Temporary FIFO first byte
static BYTE CurrentBC;          // Byte count for currently-sending FIFO
static BYTE CurrentFB;          // First FIFO byte for currently-sending FIFO
static BYTE PendingBC;          // Byte count for next 64 byte packet scheduled for sending
static BYTE PendingFB;          // First FIFO byte for next 64 byte packet scheduled for sending
BYTE dum;
BYTE Transfer_In_Progress,FirstPass;    // flags
//
NAKct=0;
Available_Buffers = 2;
rb = TBC;                       // initial remaining bytes = total byte count
FirstPass = 1;
//
do
        {
        while((rb!=0)&&(Available_Buffers!=0))  
        // WHILE there are more bytes to load and a buffer is available
                {
                // Pwreg(rEPIRQ,bmOUT1DAVIRQ);// *1* enable the 3420 for another OUT transfer
                FI_FB = *pBuf;                // Save the first byte of the 64 byte packet
                bytes2send = (rb >= 64) ? 64: rb;         // Lower of 64 bytes and remaining bytes
                rb -= bytes2send;                         // Adjust 'remaining bytes'
                Hwritebytes(rSNDFIFO,64,pBuf);
                pBuf += 64;                   // Advance the buffer pointer to the next 64-byte chunk
                Available_Buffers -= 1        // One fewer buffer is now available
//
                if(Available_Buffers==1)      // Only one has been loaded
                        {
                        CurrentBC = bytes2send;
                        CurrentFB = FI_FB;
                        }
                else                          // Available_Buffers must be 0, both loaded.
                        {
                        PendingBC = bytes2send;
                        PendingFB = FI_FB;
                        }
//
                if(FirstPass)
                        {
                        FirstPass = 0;
                        Hwreg(rSNDBC,CurrentBC);        // Load the byte count
                        L7_ON                           // Light 7 is used as scope pulse
                        Hwreg(rHIRQ,bmHXFRDNIRQ);       // Clear the IRQ
                        Hwreg(rHXFR,(tokOUT | ep));     // Launch an OUT1 transfer
                        L7_OFF
                        }
                }       // While there are bytes to load and there is space for them
//
        do // While a transfer is in progress (not yet ACK'd)
        {
//              while((Hrreg(rHRSL) & 0x0F) == hrBUSY) ;        // Hang here until current packet completes
                while((Hrreg(rHIRQ) & bmHXFRDNIRQ) != bmHXFRDNIRQ) ;
                dum = Hrreg(rHRSL) & 0x0F;                      // Get transfer result
                if (dum == hrNAK)
                        {
                        Transfer_In_Progress = 1;
                        NAKct += 1;
                                if (NAKct == NAKLimit)
                                        return(hrNAK);
                                else
                                        {
                                        Hwreg(rSNDBC,0);                // Flip FIFOs
                                        Hwreg(rSNDFIFO,CurrentFB);
                                        Hwreg(rSNDBC,CurrentBC);        // Flip FIFOs back
                                        L7_ON                           // Scope pulse
                                        Hwreg(rHIRQ,bmHXFRDNIRQ);       // Clear the IRQ
                                        Hwreg(rHXFR,(tokOUT | ep));     // Launch an OUT1 transfer
                                        L7_OFF
                                        }
                        }
                else if (dum == hrACK)
                        {
                        Available_Buffers += 1;
                        NAKct = 0;
                        Transfer_In_Progress = 0;               // Finished this transfer
                        if (Available_Buffers != 2)             // Still some data to send
                                {
                                CurrentBC = PendingBC;
                                CurrentFB = PendingFB;
                                Hwreg(rSNDBC,CurrentBC);
                                L7_ON                           // Scope pulse
                                Hwreg(rHIRQ,bmHXFRDNIRQ);       // Clear the IRQ
                                Hwreg(rHXFR,(tokOUT | ep));     // Launch an OUT1 transfer
                                L7_OFF
                                }
                        }
                else return(dum);
        } 
        while(Transfer_In_Progress);
}
while(Available_Buffers!=2);            // Go until both buffers are available (have been sent)
return(0);
}