Nios II與CF卡的接口設(shè)計
出處：iammercy 發(fā)布于：2008-09-02 10:02:42
?。薄。茫瓶ǖ奶攸c及應(yīng)用
?。茫瓶ㄊ墙鼛啄昱畈l(fā)展固態(tài)非易失的存儲介質(zhì)，由于ＣＦ卡具有攜帶方便、易于升級、存儲量大、抗震性好等優(yōu)點，在大容量便攜式數(shù)據(jù)存儲和傳輸過程中，ＣＦ 有著非常廣泛的應(yīng)用前景，如數(shù)碼相機、ＭＰ３播放器、ＰＤＡ（個人數(shù)字助理）、數(shù)字式錄音機、筆記本電腦、手提電話、機頂盒等。預(yù)計今后在其他領(lǐng)域?qū)⒂懈鼮閺V泛的應(yīng)用。另外ＣＦ卡的兼容性佳，不僅同時支持３．３?。趾停怠。值碾妷?，而且不同的ＣＦ卡都可以用單一的機構(gòu)讀寫，特別是ＣＦ卡升級換代時也可以保證舊設(shè)備的兼容性。而純電子運動的ＣＦ卡耗電量很低，僅為ＩＢＭ 微型硬盤的５％。目前，ＣＦ卡容量從早的２?。停碌浆F(xiàn)今的８?。牵拢瑪?shù)據(jù)傳輸從早的５?。停拢蟀l(fā)展到現(xiàn)在的２０?。停拢?。
ＣＦ卡由２個基本部分構(gòu)成：內(nèi)部控制器和閃存模塊。ＣＦ卡的閃存模塊基本上都使用ＮＡＮＤ型閃存，用于存儲數(shù)據(jù)。內(nèi)部控制器用來實現(xiàn)ＣＦ卡與主機的接口以及控制數(shù)據(jù)的傳輸。ＣＦ卡內(nèi)部控制器的設(shè)計完全模擬硬盤，使用標(biāo)準(zhǔn)的ＡＴＡ／ＩＤＥ接口。
?。茫啤〉拇嫒》绞接校撤N：ＰＣ?。茫幔颍洹。停澹恚铮颍Ｊ?、ＰＣ Ｃａｒｄ?。桑夏Ｊ揭约埃裕颍酰濉。桑模拍Ｊ?。ＰＣ Ｃａｒｄ模式與ＰＣＭＣＩＡ標(biāo)準(zhǔn)兼容。Ｔｒｕｅ?。桑模拍Ｊ脚cＡＴＡ標(biāo)準(zhǔn)兼容。
?。撤N方式相比，在Ｔｒｕｅ ＩＤＥ模式下，ＣＦ卡與主機通信的信號少，硬件接口簡單、軟件易于實現(xiàn)，因此本設(shè)計采用Ｔｒｕｅ?。桑模拍Ｊ?。
?。病。茫瓶ń涌诳刂破鞯募拇嫫鞯亩x
在設(shè)計中，采用Ａｌｔｅｒａ提供的一個ＣＦ接口控制器內(nèi)核實現(xiàn)ＣＦ卡數(shù)據(jù)的傳輸．該內(nèi)核提供一個連接片外ＣＦ卡的Ａｖａｌｏｎ總線接口，通過使用適當(dāng)?shù)臅r序把Ａｖａｌｏｎ總線信號映射到ＣＦ卡，提供了對標(biāo)準(zhǔn)的實ＩＤＥ模式寄存器的訪問，允許設(shè)計者在Ｎｉｏｓ ＩＩ系統(tǒng)中簡易連接就可以使用ＣＦ卡。圖１所示為ＣＦ卡接口控制器內(nèi)核的結(jié)構(gòu)框圖。
圖１?。茫瓶刂破鲀?nèi)核結(jié)構(gòu)框圖
該內(nèi)核提供２個Ａｖａｌｏｎ總線從端口．個是為了訪問ＣＦ設(shè)備內(nèi)部的寄存器組，第二個是為了訪問控制器內(nèi)核內(nèi)部的寄存器文件，ＣＦ核提供２個高有效的中斷請求輸出，一個是ＣＦ插入或移除的中斷信號，另一個是把設(shè)備上的中斷信號傳送到Ａｖａｌｏｎ主設(shè)備。
對于ＣＦ卡的操作（如：讀／寫），其實就是對ＣＦ卡控制器的寄存器進(jìn)行操作。所以，必須對ＣＦ卡的寄存器十分熟悉。這些寄存器統(tǒng)稱為任務(wù)文件（ｔａｓｋ ｆｉｌｅ）寄存器：
?。ǎ保?shù)據(jù)寄存器（讀／寫），用于ＣＦ卡的讀寫操作。主機通過該寄存器向ＣＦ卡數(shù)據(jù)緩沖寫入或從ＣＦ卡數(shù)據(jù)緩沖讀出數(shù)據(jù)。
?。ǎ玻╁e誤寄存器（讀）和特性寄存器（寫） 讀操作時，此寄存器為錯誤寄存器，用于指明錯誤的原因；寫操作時，此寄存器為特性寄存器。
?。ǎ常┥葏^(qū)數(shù)寄存器（讀／寫）。用來記錄讀、寫扇區(qū)的數(shù)目。
?。ǎ矗┥葏^(qū)號寄存器（讀／寫），用來記錄讀、寫和校驗命令指定的起始扇區(qū)號或邏輯塊地址（ＬＢＡ）的ＢＩＴ７：０。
?。ǎ担┲嫣柤拇嫫鳎ㄗx／寫），用來記錄讀、寫、校驗和尋址命令指定的柱面號或ＬＢＡ的ＢＩＴ２３：８。
?。ǎ叮?a target="_blank">驅(qū)動器／磁頭寄存器（讀／寫），記錄讀、寫、校驗和尋道命令指定的驅(qū)動器號、磁頭號或ＬＢＡ的ＢＩＴ２７：２４，其中ＢＩＴ６（ＬＢＡ）用來設(shè)置ＣＦ卡扇區(qū)的尋址方式（ＬＢＡ＝０，采用ＣＨＳ模式；ＬＢＡ＝１。采用ＬＢＡ模式）。
?。ǎ罚顟B(tài)寄存器（讀）和命令寄存器（寫），在讀操作時，該寄存器是狀態(tài)寄存器，指示ＣＦ卡控制器執(zhí)行命令后的狀態(tài)，讀狀態(tài)寄存器則返回ＣＦ卡的當(dāng)前狀態(tài)；在寫操作時，該寄存器是命令寄存器，接收主機發(fā)送給ＣＦ卡的控制命令。
?。场。危椋铮蟆。桑商幚砥髋cＣＦ卡的硬件接口設(shè)計
在Ａｌｔｅｒａ公司提供的ＳｏＰＣ軟件中對該軟核進(jìn)行配置時，選用Ｎｉｏｓ ＩＩ?。茫校?、內(nèi)部定時器、ＣＦ卡接口控制器、ＳＤＲＡＭ 控制器、ＦＬＡＳＨ 存儲器接口、ＬＣＤ 接口和ＥＰＣＳ４串行配置器件控制器接口。其框圖如圖２所示。
圖２ 硬件接口框圖
?。础。茫瓶ǖ慕涌诳刂破鞯能浖僮?/FONT>
在Ｎｉｏｓ?。桑上到y(tǒng)中，應(yīng)用軟件架構(gòu)在ＨＡＬ（硬件抽象層）和Ｃ標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)上。在Ｎｉｏｓ ＩＩ ＩＤＥ 中建立新的軟件工程時，ＩＤＥ會根據(jù)ＳｏＰＣ?。拢酰椋欤洌澹?qū)ο到y(tǒng)的硬件配置自動生成一個定制ＨＡＬ系統(tǒng)庫。這個庫能為程序和底層硬件的通信提供接口驅(qū)動程序，ＨＡＬ系統(tǒng)庫為ＣＦ卡接口控制器內(nèi)核提供了兩組直接訪問設(shè)備寄存器的ＡＰＩ函數(shù)，其中一個是針對ＩＤＥ任務(wù)文件（ＡＴＡ）寄存器的，主要提供了對標(biāo)準(zhǔn)的實ＩＤＥ模式寄存器的訪問設(shè)，另一個是針對ＣＦ接口控制寄存器的，主要提供了對電源，復(fù)位，插入或移除檢測和中斷的控制。設(shè)計者只需要調(diào)用這些函數(shù)就可以訪問外部設(shè)備。
由于ＣＦ卡的讀寫是以一個扇區(qū)為基本單位的。在讀寫一個扇區(qū)之前必須先指明當(dāng)前需要讀寫的柱面、頭和扇區(qū)或ＬＢＡ地址，然后發(fā)送讀寫命令。一個扇區(qū)的５１２?。滦枰赃B續(xù)讀出或?qū)懭?。主機讀／寫ＣＦ卡上一個文件的過程是這樣的：
（１）ＣＦ卡檢測。調(diào)用：
ＩＯＲＤ＿ＡＬＴＥＲＡ＿ＡＶＡＬＯＮ＿ＣＦ＿ＣＴＬ＿ＳＴＡＴＵＳ（ＣＦ＿ＣＴＩ＿ＢＡＳＥ）。
（２）ＣＦ卡內(nèi)部控制器向ＣＦ卡某些寄存器填寫必要的信息。如向扇區(qū)號寄存器填寫讀寫數(shù)據(jù)的起始扇區(qū)號或Ｉ．ＢＡ地址、向扇區(qū)數(shù)寄存器填寫讀寫數(shù)據(jù)所占的扇區(qū)個數(shù)、設(shè)置ＣＦ卡的扇區(qū)尋址方式等。調(diào)用：
?。桑希祝遥撸粒蹋裕牛遥粒撸粒郑粒蹋希危撸茫疲撸桑模牛撸樱牛茫裕希遥撸茫希眨危裕ǎ茫疲撸桑模牛撸拢粒樱?，Ｓｅｃｔｏｒ＿ｃｕｎｔ）；
ＩＯＷＲ＿ＡＬＴＥＲＡ＿ＡＶＡＬＯＮ＿ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＳＥＣＴＯＲ＿ＮＵＭＢＥＲ（ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＢＡＳＥ，Ｓｅｃｔｏｒ＿ｎｕｍ）；
?。桑希祝遥撸粒蹋裕牛遥粒撸粒郑粒蹋希危撸茫疲撸桑模牛撸茫伲蹋桑危模牛遥撸蹋希祝ǎ茫疲撸桑模牛撸拢粒樱?，０ｘ００）；
?。桑希祝遥撸粒蹋裕牛遥粒撸粒郑粒蹋希危撸茫疲撸桑模牛撸茫伲蹋桑危模牛遥撸龋桑牵龋ǎ茫疲撸桑模牛撸拢粒樱牛埃埃埃?；
?。桑希祝遥撸粒蹋裕牛遥粒撸粒郑粒蹋希危撸茫疲撸桑模牛撸模牛郑桑茫牛撸龋牛粒模ǎ茫疲撸桑模牛撸拢粒樱?，０ｘｅ０）。
（３）向ＣＦ卡的命令寄存器寫入操作ＣＦ卡的命令。如寫操作向ＣＦ卡的命令寄存器寫入３０Ｈ，讀操作向ＣＦ卡的命令寄存器寫入２０Ｈ。調(diào)用：
ＩＯＷＲ＿ＡＬＴＥＲＡ＿ＡＶＡＬＯＮ＿ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＣＯＭＭＡＮＤ（ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＢＡＳＥ，０ｘ３０）；
?。桑希祝遥撸粒蹋裕牛遥粒撸粒郑粒蹋希危撸茫疲撸桑模牛撸茫希停停粒危模ǎ茫疲撸桑模牛撸拢粒樱?，０ｘ２０）。
（４）ＣＦ卡有數(shù)據(jù)傳輸請求之后，主機讀寫ＣＦ卡的數(shù)據(jù)寄存器，從而實現(xiàn)從ＣＦ卡數(shù)據(jù)緩沖讀出數(shù)據(jù)或向ＣＦ卡數(shù)據(jù)緩沖寫入數(shù)據(jù)。調(diào)用：
ＩＯＲＤ＿ＡＬＴＥＲＡ＿ＡＶＡｌＯＮ＿ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＤＡＴＡ?。ǎ茫疲撸桑模牛撸拢粒樱牛?；
?。桑希祝遥撸粒蹋裕牛遥粒撸粒郑粒蹋希危撸茫疲撸桑模牛撸模粒裕粒ǎ茫疲撸桑模牛撸拢粒樱?，Ｄａｔａ＿Ｗｒｉｔｅ）。
?。ǎ担┰趫?zhí)行以上操作的過程中，每執(zhí)行一步。都應(yīng)該檢測狀態(tài)寄存器，確定ＣＦ卡的當(dāng)前狀態(tài)，從而確定下一步應(yīng)該執(zhí)行什么操作（參考狀態(tài)寄存器的ＢＩＴ位的意義，編寫檢測代碼）。調(diào)用：
ＩＯＲＤ＿ＡＬＴＥＲＡ＿ＡＶＡＬＯＮ＿ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＳＴＡＴＵＳ（ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＢＡＳＥ）。
由于ＣＦ卡由ＡＴＡ控制器和ＦＬＡＳＨ存儲器２部分構(gòu)成，處理器訪問ＦＬＡＳＨ存儲器的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于訪問內(nèi)存的速度，如果系統(tǒng)頻繁訪問ＣＦ卡，勢必會影響系統(tǒng)的實時性和工作效率。所以必須考慮ＣＦ卡讀寫程序的設(shè)計技巧 。根據(jù)存儲器訪問的局部性原理，ＣＰＵ 存取數(shù)據(jù)所訪問的存儲單元都趨向于聚集在一個較小的連續(xù)區(qū)域。從時間上看，如果一個信息項正在被訪問，那么在近期他很可能還會被再次訪問。從空間上看，在近將用到的信息很可能與目前正在使用的信息在空間地址上是臨近的。在Ｎｉｏｓ ＩＩ硬件系統(tǒng)設(shè)計中，添加了片上的存儲空間，用于存儲近訪問過的扇區(qū)數(shù)據(jù)。另外還設(shè)置了兩個全局變量：一個保存近備份的扇區(qū)編號；另一個說明備份數(shù)據(jù)是否與ＣＦ卡中的相應(yīng)數(shù)據(jù)一致，如果一致，其值為０，否則為１。這樣不但可以減少讀寫ＣＦ卡的次數(shù)。而且提高了訪問速度，通過添加硬件緩沖區(qū)，滿足嵌入式操作系統(tǒng)的實時性要求。目前，該設(shè)計已經(jīng)在開發(fā)板上實現(xiàn)，運行穩(wěn)定可靠。
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