基于多CF接口系統(tǒng)的總線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.引言 　　

CF卡 （Compactflash：壓縮閃存）是目前世界上外形最小的大容量存儲(chǔ)設(shè)備，1994年由SanDisk最先推出。它與PCMCIA完全兼容，是一種固態(tài)產(chǎn)品，工作時(shí)沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件。它極少出現(xiàn)機(jī)械故障，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)非常安全，是應(yīng)用最為廣泛的存儲(chǔ)卡。而且耗電量小，只有普通硬盤的5%。與其它存儲(chǔ)卡相比，容量大是CF卡的一個(gè)比較明顯的優(yōu)勢(shì)，目前主流產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到512Mb和1Gb標(biāo)準(zhǔn)。另外它還具備速度快、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。CF卡采用閃存（flash）技術(shù)，是一種穩(wěn)定的存儲(chǔ)解決方案，不需要電池來(lái)維持其中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。對(duì)所保存的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，CF卡比傳統(tǒng)的磁盤驅(qū)動(dòng)器，更具安全性和保護(hù)性。

CF卡的應(yīng)用特別廣泛。CF卡協(xié)會(huì)（CompactFlash Association：CFA）成立的初衷是希望CF技術(shù)能廣泛用于便攜式計(jì)算機(jī)、臺(tái)式機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、手持條碼掃描器、高級(jí)雙向?qū)ず魴C(jī)、錄音機(jī)、監(jiān)視器、機(jī)頂盒等產(chǎn)品中。采用CF技術(shù)可以使得這些產(chǎn)品的功能得到擴(kuò)展、體積變小、質(zhì)量變輕。雖然以上目標(biāo)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)，但它已經(jīng)廣泛地用于很多領(lǐng)域，其中CF IO卡已經(jīng)在調(diào)制解調(diào)器、網(wǎng)卡、數(shù)字電話卡、激光掃描儀及藍(lán)牙技術(shù)中得到了普遍的應(yīng)用。隨著人們對(duì)設(shè)備的小型化和自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，CF卡的應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

2．CF卡的應(yīng)用現(xiàn)狀 　　

CF卡是由一個(gè)控制芯片和一個(gè)閃存組成，接口有50個(gè)腳（兩排），它能夠很容易地插入68針I(yè)I型適配器卡（符合PCMCIA的技術(shù)要求）中使用。CF卡可以使用3.3V和5V兩種電壓工作，但對(duì)一個(gè)確定的卡，只能工作于一種電壓。

現(xiàn)在一般的PC機(jī)上并沒(méi)有直接提供CF接口，對(duì)它的應(yīng)用都是通過(guò)專門的讀卡器或是轉(zhuǎn)接設(shè)備來(lái)完成的。現(xiàn)在有很多從USB接口到CF接口的轉(zhuǎn)接設(shè)備，例如朗科公司剛推出基于閃存技術(shù)的第一款數(shù)碼移動(dòng)存儲(chǔ)產(chǎn)品――優(yōu)卡，就是其中的一個(gè)。它采用內(nèi)置USB和CF雙接口，用戶將優(yōu)卡中的圖片、音樂(lè)或其它數(shù)據(jù)上傳至電腦時(shí)，簡(jiǎn)化了對(duì)CF卡的操作過(guò)程，但它僅能支持一個(gè)CF卡，目前還沒(méi)有擴(kuò)展出多個(gè)CF接口的設(shè)備，而且，它只是一種簡(jiǎn)化的讀卡器，需要專門的設(shè)備，沒(méi)有充分發(fā)揮出CF卡的優(yōu)勢(shì)，限制了對(duì)CF卡的更加有效的利用。

3．總線操作問(wèn)題及解決思路 　　

總線是構(gòu)成系統(tǒng)的互連機(jī)構(gòu)，是多個(gè)系統(tǒng)功能部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。借助于總線連接，各系統(tǒng)功能部件之間實(shí)現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)和控制信息的交換，并在爭(zhēng)用資源的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作。

3.1 系統(tǒng)中的總線問(wèn)題 　　

在這個(gè)系統(tǒng)中，當(dāng)多個(gè)CF卡同時(shí)工作時(shí)，需要進(jìn)行很多操作，處理器間要進(jìn)行數(shù)據(jù)和狀態(tài)字的相互交換，要向共享存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)，還要對(duì)輸入輸出設(shè)備進(jìn)行讀寫(xiě)，所有這些操作都要用到總線。特別是當(dāng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高時(shí)，總線的操作會(huì)遇到很多的問(wèn)題： 　　

（1）多個(gè)CF卡同時(shí)占用總線時(shí)，如何避免總線的沖突。

（2）當(dāng)一個(gè)操作占用總線時(shí)間過(guò)長(zhǎng)時(shí)，且其請(qǐng)求得不到滿足時(shí)，如何避免“死鎖“問(wèn)題。

（3）在緊急情況下，有一個(gè)操作要立即占用總線，此時(shí)，如何使它在最短的時(shí)間內(nèi)獲得總線的控制權(quán)。

以上問(wèn)題在系統(tǒng)上表現(xiàn)為性能不穩(wěn)定，經(jīng)常性死機(jī)，要解決這些問(wèn)題，必須選擇合適的總線仲裁機(jī)制，使其靈活、可靠地完成各種工作。

3.2 多CF卡總線仲裁機(jī)制 　　

總線仲裁機(jī)制包括總線仲裁策略和總線仲裁方式兩方面。我們要求仲裁機(jī)制公平、有效、全理，而且要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。這時(shí)我們主要討論仲裁方式，常見(jiàn)的仲裁方式有集中式和分布式兩種。所謂集中式仲裁中每個(gè)功能模塊有兩條線連到中央仲裁器：一條是送往仲裁器的總線請(qǐng)求信號(hào)線，一條是仲裁器送出的總線授權(quán)信號(hào)線。示意圖如下：

　　集中式仲裁方式的電路簡(jiǎn)單，速度快；但它的容錯(cuò)能力差，魯棒性不夠好。

分布式仲裁不需要中央仲裁器，每個(gè)潛在的功能模塊都有自己的仲裁號(hào)和仲裁器。共享的仲裁總線上總是保留著當(dāng)前占用總線模塊的仲裁號(hào)，當(dāng)其它模塊有總線請(qǐng)求時(shí)，各仲裁器將從仲裁總線上得到的號(hào)與自己的號(hào)進(jìn)行比較。如果仲裁總線上的號(hào)大，則它的總線請(qǐng)求不予響應(yīng)，并撤消它的仲裁號(hào)。最后，獲勝者的仲裁號(hào)保留在仲裁總線上。示意圖如下： 　　分布式仲裁方法雖然電路復(fù)雜一點(diǎn)，但容錯(cuò)能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性好，當(dāng)其中一部分出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)影響其它的部分的工作。

3.3 本系統(tǒng)仲裁策略的解決方案 　　

本系統(tǒng)采用計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢的仲裁策略，這是集中式仲裁方式的一種，其基本思想是，總線上的任一設(shè)備要求使用總線時(shí)，通過(guò)共同的請(qǐng)求線向中央仲裁器發(fā)出總線請(qǐng)求。仲裁器接到請(qǐng)求信號(hào)以后，在總線不忙的情況下，讓仲裁地址計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值通過(guò)一組地址線發(fā)向各設(shè)備。每個(gè)設(shè)備接口都有一個(gè)設(shè)備地址判別電路，當(dāng)?shù)刂肪€上的計(jì)數(shù)值與請(qǐng)求總線的設(shè)備地址相一致時(shí)，該設(shè)備把總線狀態(tài)設(shè)為占用，獲得了總線使用權(quán)，同時(shí)中止計(jì)數(shù)查詢。該方式的特點(diǎn)是計(jì)數(shù)靈活，既保證了仲裁的公平，也突出了重點(diǎn)。

這種方式很好決了總線沖突和“死鎖”的問(wèn)題。對(duì)于緊急占用的問(wèn)題，可以通過(guò)中斷廣播的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。即當(dāng)有一個(gè)CF卡需要緊急服務(wù)時(shí)，它向所有的設(shè)備發(fā)出占用總線的中斷請(qǐng)求，其它設(shè)備檢查自己是否占用總線，如果占用，就馬上釋放；沒(méi)有占用，就繼續(xù)執(zhí)行自己的操作。當(dāng)緊急任務(wù)完成后，該CF卡再把總線控制權(quán)交給原來(lái)控制總線的設(shè)備。這樣就可以使各設(shè)備的優(yōu)先權(quán)得到保證。

4.具體的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 　　

本系統(tǒng)中的多CF卡采用INTEL公司的PD6722作為主控。它是一個(gè)專門的從ISA總線擴(kuò)展出兩個(gè)符合PCMCIA標(biāo)準(zhǔn)的芯片，不需要其它任何控制電路。它能直接管理地址在64K到16M之間，通過(guò)一個(gè)地址偏移量寄存器（存有所管理的地址的起始位置）把它映射到一個(gè)64M的地址上。通過(guò)擴(kuò)展，可以方便地控制四個(gè)CF接口。而且它自身包含了仲裁邏輯電路，所以基本不需要另外的仲裁電路，這為設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的方便。

設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的主要工作是對(duì)如何更加有效地種用總線。要使多個(gè)CF接口能夠協(xié)同工作，我們不但要做好硬件的設(shè)計(jì)，還要選擇良好的總線仲裁策略。設(shè)計(jì)示意圖如下： 　　這個(gè)系統(tǒng)直接連到系統(tǒng)的總線上，在加電的同時(shí)，總線首先由主控占用，并由主控對(duì)各個(gè)接口進(jìn)行初始化的配置，把相應(yīng)的工作模式配置到各個(gè)端口，并為它們分發(fā)時(shí)間片和優(yōu)先級(jí)，然后用計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式進(jìn)行工作。

由于本系統(tǒng)用了集中仲裁方式來(lái)控制總線，解決了總線沖突、“死鎖”和緊急服務(wù)的問(wèn)題，能夠保證系統(tǒng)的正常工作，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。當(dāng)然本系統(tǒng)也有脆弱的一面，主要體現(xiàn)在對(duì)主控的存賴度較高，如果主控芯片出了問(wèn)題，對(duì)本系統(tǒng)的打擊是致命的，這一點(diǎn)我們會(huì)在以后的工作中加以改進(jìn)。