一種PowerPC處理器與CF卡的接口設(shè)計(jì)方案

　　摘要：從如何設(shè)計(jì)嵌入式處理器與CF卡之間的接口、如何高效率地編制讀寫(xiě)程序出發(fā)，介紹了嵌入式處理器與CF卡的接口設(shè)計(jì)和編程技巧。

關(guān)鍵詞： CF卡 PCI局部總線 扇區(qū)

最近幾年，嵌入式處理器蓬勃發(fā)展，在通信、航空航天、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品等領(lǐng)域一展身手。嵌入式處理器的外圍設(shè)備也日新月異，例如記憶棒、USB口、CF卡等。本文從硬件和軟件角度出發(fā)，介紹了CF卡在嵌入式系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)和使用技巧。 由于CF卡具有攜帶方便、易于升級(jí)、存儲(chǔ)量大、抗震性好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。1995年10月，SanDisk、柯達(dá)、卡西歐、惠普、摩托羅拉、佳能等125家廠商發(fā)起成立了CompactFlash協(xié)會(huì)，致力于制定新一代的基于RAM和ROM技術(shù)的固態(tài)非易失的存儲(chǔ)介質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)——CF卡標(biāo)準(zhǔn)使不同廠家開(kāi)發(fā)的CF卡及其接口器件可以互相兼容。目前，CF卡標(biāo)準(zhǔn)已有1.4版本，容量從最早的2M字節(jié)到現(xiàn)今的1G字節(jié)。 同時(shí)，CF卡遵從ATA-IDE工業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，連接裝置與 PCMCIA卡相似，只不過(guò)CF卡是50引腳(PCMCIA卡68引腳)，可以很容易插入無(wú)源68引腳 TypeII適配卡并完全符合PCMCIA電力和機(jī)械接口規(guī)格。另外，CF卡的兼容性佳，不僅同時(shí)支持3.3V和5V的電壓，而且不同的CF卡都可以用單一的機(jī)構(gòu)讀寫(xiě)，特別是CF卡升級(jí)換代時(shí)也可以保證舊設(shè)備的兼容性。而純電子運(yùn)動(dòng)的CF卡耗電量很低，僅為IBM微型硬盤(pán)的5%。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1是筆者開(kāi)發(fā)的嵌入式系統(tǒng)框圖。其中，嵌入式處理器是MPC8250，PCI1410A是連接PCI總線和CF卡的一種接口芯片。 MPC8250芯片是Motorola公司開(kāi)發(fā)的一款PowerPC系列嵌入式處理器。芯片采用小巧而強(qiáng)大的32位超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)PowerPC 603e處理器內(nèi)核，最高主頻為300MHz。它集成了PCI橋、PCI仲裁器、存儲(chǔ)器控制器、中斷控制器、DMA控制器、16K字節(jié)指令高速緩存和16K字節(jié)數(shù)據(jù)高速緩存等部件。MPC8250具有三個(gè)可配置為百兆或十兆以太網(wǎng)的FCC口，四個(gè)可配置為串口或網(wǎng)口的SCC口，一個(gè)多通道HDLC接口。該芯片適用于對(duì)成本、空間、功耗和性能都有很高要求的應(yīng)用領(lǐng)域，例如路由器/接線器、多路MODEM、網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)應(yīng)用和圖像顯示等系統(tǒng)。 PCI1410A芯片是TI公司開(kāi)發(fā)的一種高性能的PCI到CF卡的控制器，支持遵循CF卡標(biāo)準(zhǔn)的各類(lèi)CF卡。它符合PCI總線標(biāo)準(zhǔn)，既可以工作于PCI主設(shè)備模式，也可以工作于PCI從設(shè)備模式。 MPC8250與PCI1410A之間通過(guò)32位PCI局部總線連接，工作頻率33MHz。MPC8250用作PCI主設(shè)備，PCI1410A用作PCI從設(shè)備，同時(shí)采用MPC8250內(nèi)部的PCI仲裁器。 本設(shè)計(jì)選用SanDisk公司的型號(hào)為SDCFB-64-101的CF卡，64M字節(jié)容量，幾何尺寸為36.4mm%26;#215;42.8mm%26;#215;3mm。PCI1410A與CF卡之間的連接遵循CF卡標(biāo)準(zhǔn)，由地址、數(shù)據(jù)、控制三組信號(hào)組成。PCI1410A提供了五個(gè)通用I/O引腳，設(shè)計(jì)中將其中一個(gè)引腳GPIO1用作LED指示。當(dāng)CF卡工作時(shí)，LED會(huì)以64ms的周期閃爍。 SDRAM選用了三星公司的K4S561632A，每片容量256M比特，共四片。 圖2 讀寫(xiě)CF卡技巧示意圖 2 接口編程 在CF卡工作前，必須先進(jìn)行初始化，在整個(gè)系統(tǒng)的地址空間中確定CF卡的位置，預(yù)設(shè)置CF卡的工作模式及相關(guān)寄存器。本設(shè)計(jì)中，CF卡位于系統(tǒng)的0x9A000000～0x9DFFFFFF地址空間。在每次讀寫(xiě)CF卡時(shí)，必須根據(jù)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的多少和操作特性來(lái)配置相應(yīng)寄存器。

2.1 CF卡初始化

本系統(tǒng)中，CF卡的初始化由MPC8250通過(guò)PCI總線配置PCI1410A的寄存器實(shí)現(xiàn)，具體步驟如下： (1)設(shè)置CF卡的基地址，即配置ExCA寄存器(偏移量：0x10)。該寄存器定義了CF卡在PCI存儲(chǔ)器空間的基地址，即0x9A000000。 (2)配置PCI命令寄存器(偏移量：0x04)，允許CPU訪問(wèn)PCI存儲(chǔ)空間。 (3)配置系統(tǒng)控制寄存器(偏移量：0x80)。該寄存器定義了一些系統(tǒng)控制位，例如，是否采用PCI中斷方式，是否采用內(nèi)部振蕩器，是否采用DMA等。本設(shè)計(jì)采用PCI中斷方式，不采用內(nèi)部振蕩器和DMA。

　　(4)配置多功能引腳寄存器(偏移量：0x8C)。該寄存器配置通用引腳。本設(shè)計(jì)配置GPIO1引腳為L(zhǎng)ED指示，GPIO2引腳為PCI中斷輸出。 (5)配置設(shè)備控制寄存器(偏移量：0x92)。該寄存器選擇中斷方式，是并行PCI中斷還是串行PCI中斷。本設(shè)計(jì)選擇了傳統(tǒng)的并行PCI中斷方式。 (6)配置ExCA電壓控制寄存器(偏移量：0x802)，選擇Vcc為3.3V還是5V。本設(shè)計(jì)選擇Vcc為3.3V。 (7)配置ExCA存儲(chǔ)窗口0起始地址低位寄存器(偏移量：0x810)，即起始地址的A19～A12位。PCI1410A具有五個(gè)存儲(chǔ)地址翻譯窗口和二個(gè)I/O地址翻譯窗口，用于配置CF卡內(nèi)寄存器的訪問(wèn)地址，將CF卡的寄存器映射到系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間或I/O空間，MPC8250訪問(wèn)這些寄存器就相當(dāng)于訪問(wèn)一段存儲(chǔ)空間或I/O空間。本設(shè)計(jì)中只使用了存儲(chǔ)地址翻譯窗口0。 (8)配置ExCA存儲(chǔ)窗口0起始地址高位寄存器(偏移量：0x811)，即起始地址的A23～A20位。 (9)配置ExCA存儲(chǔ)窗口0結(jié)束地址低位寄存器(偏移量：0x812)，即結(jié)束地址的A19～A12位。 (10)配置ExCA存儲(chǔ)窗口0結(jié)束地址高位寄存器(偏移量：0x813)，即結(jié)束地址的A23～A20位。 (11)配置ExCA存儲(chǔ)窗口0地址比較寄存器(偏移量：0x840)。在系統(tǒng)訪問(wèn)CF卡時(shí)，如果地址的高8位與該寄存器數(shù)值相同，則允許訪問(wèn)，系統(tǒng)將該地址翻譯到相應(yīng)的CF卡空間;否則，拒之門(mén)外。 (12)配置ExCA存儲(chǔ)窗口使能寄存器(偏移量：0x806)。該寄存器可以分別打開(kāi)或關(guān)閉五個(gè)存儲(chǔ)地址翻譯窗口和二個(gè)I/O地址翻譯窗口，因?yàn)槊總€(gè)窗口對(duì)應(yīng)了寄存器中的一個(gè)使能位。芯片的默認(rèn)值都是關(guān)閉的。在本設(shè)計(jì)中，打開(kāi)存儲(chǔ)地址翻譯窗口0。切記在初始化的收官階段打開(kāi)翻譯窗口使能位，以免功虧一簣。

2.2 讀寫(xiě)CF卡技巧

由于CF卡本身的特點(diǎn)，CF卡由ATA控制器和Flash存儲(chǔ)器兩部分構(gòu)成。系統(tǒng)訪問(wèn)Flash存儲(chǔ)器的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于訪問(wèn)內(nèi)存的速度。如果系統(tǒng)頻繁訪問(wèn)CF卡，勢(shì)必影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和工作效率。所以必須考慮CF卡讀寫(xiě)程序的設(shè)計(jì)技巧。 根據(jù)存儲(chǔ)器訪問(wèn)的局部性原理，CPU存取數(shù)據(jù)所訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元都趨向于聚集在一個(gè)較小的連續(xù)區(qū)域。從時(shí)間上看，如果一個(gè)信息項(xiàng)正在被訪問(wèn)，那么在近期它很可能還會(huì)被再次訪問(wèn)。從空間上看，在最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。 本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中，開(kāi)辟了一個(gè)扇區(qū)的內(nèi)存空間tempSect，用于存儲(chǔ)最近訪問(wèn)過(guò)的扇區(qū)數(shù)據(jù);并設(shè)置了兩個(gè)全局變量：SaveSectorNum和SectorDirty。SaveSectorNum保存最近備份的扇區(qū)編號(hào)。SectorDirty說(shuō)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，為“0”;否則為“1”。這樣不但可以減少讀寫(xiě)CF卡的次數(shù)，而且提高了訪問(wèn)速度，滿足嵌入式操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。 同時(shí)，CF卡的物理結(jié)構(gòu)也有利于以扇區(qū)為單元進(jìn)行操作。因?yàn)镃F卡內(nèi)部的Flash存儲(chǔ)器由若干個(gè)扇區(qū)組成，而且CF卡中設(shè)置了專門(mén)針對(duì)扇區(qū)操作的寄存器。 所以，本設(shè)計(jì)中，無(wú)論是讀一段數(shù)據(jù)，還是寫(xiě)一段數(shù)據(jù)，都以扇區(qū)為基本單位。如果數(shù)據(jù)量在一個(gè)扇區(qū)內(nèi)，并且地址范圍在同一扇區(qū)，則先讀取所在扇區(qū)的數(shù)據(jù)，然后按照在扇區(qū)中的偏移量獲得所需數(shù)據(jù);如果數(shù)據(jù)量大于一個(gè)扇區(qū)，或者地址范圍橫跨兩個(gè)扇區(qū)，則按次讀取扇區(qū)，獲得所需數(shù)據(jù)。操作流程如圖2所示。 系統(tǒng)初始化時(shí)，設(shè)置SaveSectorNum為“0”， tempSect中備份了0號(hào)扇區(qū)的數(shù)據(jù);SectorDirty也為“0”，即備份數(shù)據(jù)未作更改。 當(dāng)讀取一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)時(shí)，首先比較所讀取的扇區(qū)號(hào)(CurrSectorNum)，是否與備份數(shù)據(jù)的扇區(qū)號(hào)(SaveSectorNum)一致，如果一致，則從備份數(shù)據(jù)中讀取，加快了訪問(wèn)速度;否則，判斷備份數(shù)據(jù)是否更改，即SectorDirty是否為“1”;如果不是，則從CF卡中讀取扇區(qū)號(hào)為CurrSectorNum的數(shù)據(jù)到tempSect中;否則，先把tempSect的數(shù)據(jù)寫(xiě)回CF卡，然后從CF卡中讀取扇區(qū)號(hào)為CurrSectorNum的數(shù)據(jù)到tempSect中。最后，設(shè)置備份數(shù)據(jù)扇區(qū)號(hào)SaveSectorNum為當(dāng)前數(shù)據(jù)的扇區(qū)號(hào)CurrSectorNum，設(shè)置SectorDirty為“0”，并從備份數(shù)據(jù)中讀取所需數(shù)據(jù)。

　　當(dāng)寫(xiě)入一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)時(shí)，首先比較所寫(xiě)入的扇區(qū)號(hào)(CurrSectorNum)，是否與備份數(shù)據(jù)的扇區(qū)號(hào)(SaveSectorNum)一致，如果一致，則把數(shù)據(jù)寫(xiě)入備份數(shù)據(jù)中，并且設(shè)置SectorDirty為“1”;否則，判斷備份數(shù)據(jù)是否更改，即SectorDirty是否為“1”;如果不是，則從CF卡中讀取扇區(qū)號(hào)為CurrSectorNum的數(shù)據(jù)到tempSect中;否則，先把tempSect的數(shù)據(jù)寫(xiě)回CF卡，然后從CF卡中讀取扇區(qū)號(hào)為CurrSectorNum的數(shù)據(jù)到tempSect中。最后，設(shè)置備份數(shù)據(jù)扇區(qū)號(hào)SaveSectorNum為當(dāng)前數(shù)據(jù)的扇區(qū)號(hào)CurrSectorNum，將指定數(shù)據(jù)寫(xiě)到備份數(shù)據(jù)中，并且設(shè)置SectorDirty為“1”。

2.3 讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的相關(guān)寄存器

根據(jù)CF卡標(biāo)準(zhǔn)，不能直接訪問(wèn)CF卡的數(shù)據(jù)區(qū)域，而需要通過(guò)訪問(wèn)CF卡內(nèi)的相關(guān)寄存器(這些寄存器的基地址在CF卡初始化時(shí)配置，見(jiàn)2.1節(jié))間接讀取或者寫(xiě)入數(shù)據(jù)。在訪問(wèn)CF卡時(shí)必須對(duì)它們進(jìn)行正確配置： (1)扇區(qū)數(shù)目寄存器(Sector_CNT Register) 讀寫(xiě)操作時(shí)，保存需要傳送的扇區(qū)數(shù)目。如果為0，則選擇256個(gè)扇區(qū);如果操作成功，操作結(jié)束時(shí)此寄存器為0;如果操作不成功，此寄存器包含了有待完成的扇區(qū)數(shù)目。 (2)磁頭寄存器(Select_HEAD Register) 其中包含了LBA位(1比特)，用于設(shè)置地址訪問(wèn)方式。“1”LBA_Mode為邏輯地址訪問(wèn)方式，“0”為柱面/磁頭/扇區(qū)訪問(wèn)方式。本系統(tǒng)選擇邏輯地址訪問(wèn)方式，則該寄存器還包含了邏輯地址的24～27位。 (3)扇區(qū)編號(hào)寄存器(Sector_NUM Register) 在采用邏輯地址訪問(wèn)方式時(shí)，該寄存器包含了邏輯地址的0～7位。 (4)柱面低位寄存器(Cylinder_LO Register) 在采用邏輯地址訪問(wèn)方式時(shí)，該寄存器包含了邏輯地址的8～15位。 (5)柱面高位寄存器(Cylinder_HI Register) 在采用邏輯地址訪問(wèn)方式時(shí)，該寄存器包含了邏輯地址的16～23位。 (6)狀態(tài)寄存器(Status Register) 反映了CF卡的狀態(tài)，其中包含了CF卡忙(Busy)位、出錯(cuò)位(Err)、是否準(zhǔn)備就緒位(Rdy)等。 (7)數(shù)據(jù)寄存器(Data Register) 存放讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，是一個(gè)16位寄存器。 2.4 讀數(shù)據(jù) 從CF卡讀取一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)，如圖3所示。因?yàn)橄到y(tǒng)采用的CF卡的扇區(qū)大小為：SectorSize = 512字節(jié)，假設(shè)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的地址為Addr，則該地址所在的扇區(qū)號(hào)為： Sector = Addr % SectorSize。 首先配置寄存器，設(shè)置讀取的扇區(qū)數(shù)目、相應(yīng)地址和訪問(wèn)模式;然后發(fā)送讀命令(0x20)，等待CF卡空閑且準(zhǔn)備就緒，再?gòu)臄?shù)據(jù)寄存器中連續(xù)讀取一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù);完成讀取后，等待CF卡空閑;程序返回。 2.5 寫(xiě)數(shù)據(jù) 將數(shù)據(jù)寫(xiě)入CF卡的操作與從CF卡讀取數(shù)據(jù)的操作類(lèi)似，如圖4所示。首先配置寄存器，設(shè)置寫(xiě)入的扇區(qū)數(shù)目、相應(yīng)地址和訪問(wèn)模式;然后發(fā)送寫(xiě)命令(0x30)，等待CF卡空閑并且處于準(zhǔn)備狀態(tài)，連續(xù)向數(shù)據(jù)寄存器寫(xiě)入一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù);完成寫(xiě)入后，等待CF卡空閑，程序返回。 本設(shè)計(jì)采用的操作系統(tǒng)是μC/OS——一個(gè)源代碼完全公開(kāi)的嵌入式操作系統(tǒng)。所有讀寫(xiě)CF卡的函數(shù)都用C語(yǔ)言編制，并能在系統(tǒng)中有效工作。