USB 實作

可以將工作分為二部分，USB 描述元–讓 PC 的作業系統能使用此 USB 裝置，8051 I/O 控制程式–與 FPGA 協定傳送資料。

1.USB 描述元

由於要將 44.1KHz、16bit 的音樂資料即時地傳出來，因此這個 USB 裝置應 屬於 audio 類型，而且其傳輸模式應為等時傳輸。而等時傳輸，時間的最小單位 是 1ms，即最快每 1ms 將資料送出一次，因此，每一次的資料應該為 44 或 45 筆 16bit 的資料。

將控制單板宣告為 USB audio 裝置，要寫 USB 描述元。USB 描述元是記錄 關於裝置的各種訊息與相關設定。宣告一個 USB audio 描述元，其架構圖如[圖 5.1.5]。其每個 Descriptor 都是填寫一份表格，以下大致介紹每個 Descriptor 的內 容[17]：

Device Descriptor：Descriptor 的大小、產品碼、製造商碼等

Configuration Descriptor：本身 Descriptor 的大小、Interface 數目、功率等 Audio Control Interface Descriptors 包含以下 4 個 Descriptors

Standard AC Interface Descriptor：屬 AUIDO Class、Endpoint 數目 Class-specific AC Interface Descriptor：指 Streaming Interface 與數目 Input Terminal Descriptor：Terminal type、this input Terminal ID、聲道

Output Terminal Descriptor：Output Terminal ID、Source Terminal ID、Terminal type Audio Streaming Interface Descriptors 包含以下 6 個 Descriptors

Standard AS Interface Descriptor(Alternate Setting 0)：屬於 AUDIO Class、Endpoint Standard AS Interface Descriptor(Alternate Setting 1)：屬於 AUDIO Class、Endpoint Class-specific AS General Interface Descriptor：Format Tag、Terminal Link

Format Type Descriptor：Format Type、Channel Number、Sampling Freq.、Frame Size Standard Endpoint Descriptor：bytes per packet、packets per frame、Endpoint Address Class-specific Isochronous Audio Data Endpoint Descriptor：Descriptor Type

圖 5.1.5 USB Audio Descriptor 架構圖 Device Descriptor

Configuration Descriptor

Audio Streaming Interface Descriptors

String Descriptors

Manufacturer String Descriptor Product String Descrip tor Audio Control Interface Descriptors

Standard AC Interface Descriptor Class-specific AC Interface Descriptor Input Terminal Descriptor

Output Terminal Descriptor

Standard AS Interface Descriptor (Alternate Setting 0) Standard AS Interface Descriptor (Alternate Setting 1) Class-specific AS General Interface Descriptor

Format Type Descriptor Standard Endpoint Descriptor

Class-specific Isochronous Audio Data Endpoint Descriptor

String Descriptors 包含以下 2 個 Descriptors Manufacturer String Descriptor：company name Product String Descriptor：product name

USB audio 描述元完成後，接上 PC，會辨示新連接的 USB 描述元，新增加 一個可用硬體–USB audio 音效裝置。此時，啟動應用程式，音樂訊號就會從 PC 送到 USB 的端點暫存區。只要是符合 USB Class 規定的裝置，其驅動程式已包 含在作業系統，而不用另外再寫其驅動程式，應用程式就可以直接使用裝置。

圖 5.1.6 USB 單板以 USB audio Class 描述元裝置列舉

2.8051 I/O 控制程式

最快以每 1ms 送一次資料的等時傳輸，資料傳完後，會發出一次等時中斷。

利用等時中斷機制，來知道端點暫存區是否有資料可以輸出到 I/O PORT。端點 暫存區有個 count 機制，記錄目前暫存區內有多少 Byte 資料，每當暫存區被讀出 1Byte 資料，count 會減 1。利用 count 機制，來知道端點暫存區是否已經空了，

即可結束搬運。

Cypress USB 專用晶片與 8051 Core 相容，是 Enhanced 8051。寫 C code 指定 端點暫存區，利用等時中斷與暫存區的 count 機制，將資料搬移到指定 I/O PORT。

8051 是八位元單晶片，利用二個 OUTPUT PORT 送出 16bit 音樂資料，分別輸出 high byte 與 low byte。規畫第三個 PORT 的二個腳位，當作單版與 FPGA 的控制 訊號(ch1/ch2 write enable)。這樣就能夠在單版上的 I/O PORT 得到 44.1KHz、16bit 的 PCM 音樂訊號[18]。

圖 5.1.7 主程式流程圖 設定 USB 在一般工作模式

初始化副程式：

1．設定 PORTA、B、C 為 OUTPUT PORT 2．Enable PORTA、B、C

3．reset PORTA、B、C 腳位到初始值 4．設定端點 8 暫存區大小

5．指定端點 8 發出 Sof(等時)中斷 6．Enable Sof(等時)中斷

load USB Descriptors

Enable 必要的其他中斷：

SUDAV 中斷

SUTOK(執照封包)中斷 SUSP(中止)中斷

URES(重置)中斷

Enable USB 中斷

while(1) 真

圖 5.1.8 中斷服務程式流程圖 讀端點 8 暫存區，輸出

1 個 Byte 到 PORT A

讀端點 8 暫存區，輸出 1 個 Byte 到 PORT B

輸出 0x02 到 PORT C

讀端點 8 暫存區，輸出 1 個 Byte 到 PORT A

讀端點 8 暫存區，輸出 1 個 Byte 到 PORT B

輸出 0x01 到 PORT C 真

否

讀端點 8 的 ByteCount 暫 存器判斷端點 8 暫存區是 否為空

Sof(等時)中斷是否發生 假

真

設 PORTA、B、C 腳位到初始值

清除 Sof 中斷

Enable Sof 中斷

表 5.1.2 USB 音效裝置輸出資料的時間關係

等時傳輸 第 1∼9ms 第 10ms

USB device 收到資料

USB device 傳送資料 (1 Channel)

圖 5.1.9 USB 傳送資料速度與 SDM 消秏資料速度

表 5.1.2、圖 5.1.9 可知，等時傳輸時間的最小單位是 1ms，大約用 0.8ms 將 資料傳送完畢，與 FPGA 需要的 44.1KHz 數位訊號，資料速率不相配。因此，FPGA 需要一個 FIFO 的機制。

*45

*45

*44=0.805ms

17.9us

*44=0.786ms

17.9us

*44

*44

PORTA PORTB

0.786ms 17.9us

22.6us 1ms

… USB device …

傳送資料速度

44.1KHz 消秏資料速度

左聲道 low byte， 左聲道 high byte， 右聲道 low byte， 右聲道 high byte