嵌入式處理器MPC8250與CF卡的接口設計

嵌入式處理器MPC8250與CF卡的接口設計

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

關鍵詞：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)療設備、消費類電子產(chǎn)品等領域一展身手。嵌入式處理器的外圍設備也日新月異，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)中的設計和使用技巧。

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，應用范圍越來越廣。１９９５年１０月，ＳａｎＤｉｓｋ、柯達、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，致力于制定新一代的基于ＲＡＭ和ＲＯＭ技術的固態(tài)非易失的存儲介質標準——ＣＦ卡標準使不同廠家開發(fā)的ＣＦ卡及其接口器件可以互相兼容。目前，ＣＦ卡標準已有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，ＣＦ卡遵從ＡＴＡ－ＩＤＥ工業(yè)設計標準，連接裝置與ＰＣＭＣＩＡ卡相似，只不過ＣＦ卡是５０引腳，可以很容易插入無源６８引腳ＴｙｐｅＩＩ適配卡并完全符合ＰＣＭＣＩＡ電力和機械接口規(guī)格。另外，ＣＦ卡的兼容性佳，不僅同時支持３．３Ｖ和５Ｖ的電壓，而且不同的ＣＦ卡都可以用單一的機構讀寫，特別是ＣＦ卡升級換代時也可以保證舊設備的兼容性。而純電子運動的ＣＦ卡耗電量很低，僅為ＩＢＭ微型硬盤的５％。

１系統(tǒng)設計

圖１是筆者開發(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公司開發(fā)的一款ＰｏｗｅｒＰＣ系列嵌入式處理器。芯片采用小巧而強大的３２位超標量體系結構ＰｏｗｅｒＰＣ６０３ｅ處理器內(nèi)核，最高主頻為３００ＭＨｚ。它集成了ＰＣＩ橋、ＰＣＩ仲裁器、存儲器控制器、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具有三個可配置為百兆或十兆以太網(wǎng)的ＦＣＣ口，四個可配置為串口或網(wǎng)口的ＳＣＣ口，一個多通道ＨＤＬＣ接口。該芯片適用于對成本、空間、功耗和性能都有很高要求的應用領域，例如路由器／接線器、多路ＭＯＤＥＭ、網(wǎng)絡存儲應用和圖像顯示等系統(tǒng)。

ＰＣＩ１４１０Ａ芯片是ＴＩ公司開發(fā)的一種高性能的ＰＣＩ到ＣＦ卡的控制器，支持遵循ＣＦ卡標準的各類ＣＦ卡。它符合ＰＣＩ總線標準，既可以工作于ＰＣＩ主設備模式，也可以工作于ＰＣＩ從設備模式。

ＭＰＣ８２５０與ＰＣＩ１４１０Ａ之間通過３２位ＰＣＩ局部總線連接，工作頻率３３ＭＨｚ。ＭＰＣ８２５０用作ＰＣＩ主設備，ＰＣＩ１４１０Ａ用作ＰＣＩ從設備，同時采用ＭＰＣ８２５０內(nèi)部的ＰＣＩ仲裁器。

本設計選用ＳａｎＤｉｓｋ公司的型號為ＳＤＣＦＢ－６４－１０１的ＣＦ卡，６４Ｍ字節(jié)容量，幾何尺寸為３６．４ｍｍ×４２．８ｍｍ×３ｍｍ。ＰＣＩ１４１０Ａ與ＣＦ卡之間的連接遵循ＣＦ卡標準，由地址、數(shù)據(jù)、控制三組信號組成。ＰＣＩ１４１０Ａ提供了五個通用Ｉ／Ｏ引腳，設計中將其中一個引腳ＧＰＩＯ１用作ＬＥＤ指示。當ＣＦ卡工作時，ＬＥＤ會以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。

２接口編程

在ＣＦ卡工作前，必須先進行初始化，在整個系統(tǒng)的地址空間中確定ＣＦ卡的位置，預設置ＣＦ卡的工作模式及相關寄存器。本設計中，ＣＦ卡位于系統(tǒng)的０ｘ９Ａ００００００～０ｘ９ＤＦＦＦＦＦＦ地址空間。在每次讀寫ＣＦ卡時，必須根據(jù)讀寫數(shù)據(jù)的多少和操作特性來配置相應寄存器。

２．１ＣＦ卡初始化

本系統(tǒng)中，ＣＦ卡的初始化由ＭＰＣ８２５０通過ＰＣＩ總線配置ＰＣＩ１４１０Ａ的寄存器實現(xiàn)，具體步驟

設置ＣＦ卡的基地址，即配置ＥｘＣＡ寄存器。該寄存器定義了ＣＦ卡在ＰＣＩ存儲器空間的基地址，即０ｘ９Ａ００００００。

配置ＰＣＩ命令寄存器，允許ＣＰＵ訪問ＰＣＩ存儲空間。

配置系統(tǒng)控制寄存器。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。本設計采用ＰＣＩ中斷方式，不采用內(nèi)部振蕩器和ＤＭＡ。

配置多功能引腳寄存器。該寄存器配置通用引腳。本設計配置ＧＰＩＯ１引腳為ＬＥＤ指示，ＧＰＩＯ２引腳為ＰＣＩ中斷輸出。

配置設備控制寄存器。該寄存器選擇中斷方式，是并行ＰＣＩ中斷還是串行ＰＣＩ中斷。本設計選擇了傳統(tǒng)的并行ＰＣＩ中斷方式。

配置ＥｘＣＡ電壓控制寄存器，選擇Ｖｃｃ為３．３Ｖ還是５Ｖ。本設計選擇Ｖｃｃ為３．３Ｖ。

配置ＥｘＣＡ存儲窗口０起始地址低位寄存器，即起始地址的Ａ１９～Ａ１２位。ＰＣＩ１４１０Ａ具有五個存儲地址翻譯窗口和二個Ｉ／Ｏ地址翻譯窗口，用于配置ＣＦ卡內(nèi)寄存器的訪問地址，將ＣＦ卡的寄存器映射到系統(tǒng)的存儲空間或Ｉ／Ｏ空間，ＭＰＣ８２５０訪問這些寄存器就相當于訪問一段存儲空間或Ｉ／Ｏ空間。本設計中只使用了存儲地址翻譯窗口０。

配置ＥｘＣＡ存儲窗口０起始地址高位寄存器，即起始地址的Ａ２３～Ａ２０位。

配置ＥｘＣＡ存儲窗口０結束地址低位寄存器，即結束地址的Ａ１９～Ａ１２位。

配置ＥｘＣＡ存儲窗口０結束地址高位寄存器，即結束地址的Ａ２３～Ａ２０

位。

配置ＥｘＣＡ存儲窗口０地址比較寄存器。在系統(tǒng)訪問ＣＦ卡時，如果地址的高８位與該寄存器數(shù)值相同，則允許訪問，系統(tǒng)將該地址翻譯到相應的ＣＦ卡空間；否則，拒之門外。

配置ＥｘＣＡ存儲窗口使能寄存器。該寄存器可以分別打開或關閉五個存儲地址翻譯窗口和二個Ｉ／Ｏ地址翻譯窗口，因為每個窗口對應了寄存器中的一個使能位。芯片的默認值都是關閉的。在本設計中，打開存儲地址翻譯窗口０。切記在初始化的收官階段打開翻譯窗口使能位，以免功虧一簣。

２．２讀寫ＣＦ卡技巧

由于ＣＦ卡本身的特點，ＣＦ卡由ＡＴＡ控制器和Ｆｌａｓｈ存儲器兩部分構成。系統(tǒng)訪問Ｆｌａｓｈ存儲器的速度遠遠小于訪問內(nèi)存的速度。如果系統(tǒng)頻繁訪問ＣＦ卡，勢必影響系統(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，那么在近期它很可能還會被再次訪問。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)的程序設計中，開辟了一個扇區(qū)的內(nèi)存空間ｔｅｍｐＳｅｃｔ，用于存儲最近訪問過的扇區(qū)數(shù)據(jù)；并設置了兩個全局變量：ＳａｖｅＳｅｃｔｏｒＮｕｍ和ＳｅｃｔｏｒＤｉｒｔｙ。ＳａｖｅＳｅｃｔｏｒＮｕｍ保存最近備份的扇區(qū)編號。ＳｅｃｔｏｒＤｉｒｔｙ說明備份數(shù)據(jù)是否與ＣＦ卡中的相應數(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ＣＦ卡的次數(shù)，而且提高了訪問速度，滿足嵌入式操作系統(tǒng)的實時性要求。

同時，ＣＦ卡的物理結構也有利于以扇區(qū)為單元進行操作。因為ＣＦ卡內(nèi)部的Ｆｌａｓｈ存儲器由若干個扇區(qū)組成，而且ＣＦ卡中設置了專門針對扇區(qū)操作的寄存器。

所以，本設計中，無論是讀一段數(shù)據(jù)，還是寫一段數(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)量大于一個扇區(qū)，或者地址范圍橫跨兩個扇區(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，設置ＳａｖｅＳｅｃｔｏｒＮｕｍ為“０”，ｔｅｍｐＳｅｃｔ中備份了０號扇區(qū)的數(shù)據(jù)；ＳｅｃｔｏｒＤｉｒｔｙ也為“０”，即備份數(shù)據(jù)未作更改。

當讀取一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)時，首先比較所讀取的扇區(qū)號，是否與備份數(shù)據(jù)的扇區(qū)號一致，如果一致，則從備份數(shù)據(jù)中讀取，加快了訪問速度；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)號為ＣｕｒｒＳｅｃｔｏｒＮｕｍ的數(shù)據(jù)到ｔｅｍｐＳｅｃｔ中；否則，先把ｔｅｍｐＳｅｃｔ的數(shù)據(jù)寫回ＣＦ卡，然后從ＣＦ卡中讀取扇區(qū)號為ＣｕｒｒＳｅｃｔｏｒＮｕｍ的數(shù)據(jù)到ｔｅｍｐＳｅｃｔ中。最后，設置備份數(shù)據(jù)扇區(qū)號ＳａｖｅＳｅｃｔｏｒＮｕｍ為當前數(shù)據(jù)的扇區(qū)號ＣｕｒｒＳｅｃｔｏｒＮｕｍ，設置ＳｅｃｔｏｒＤｉｒｔｙ為“０”，并從備份數(shù)據(jù)中讀取所需數(shù)據(jù)。

當寫入一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)時，首先比較所寫入的扇區(qū)號，是否與備份數(shù)據(jù)的扇區(qū)號一致，如果一致，則把數(shù)據(jù)寫入備份數(shù)據(jù)中，并且設置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)號為ＣｕｒｒＳｅｃｔｏｒＮｕｍ的數(shù)據(jù)到ｔｅｍｐＳｅｃｔ中；否則，先把ｔｅｍｐＳｅｃｔ的數(shù)據(jù)寫回ＣＦ卡，然后從ＣＦ卡中讀取扇區(qū)號為ＣｕｒｒＳｅｃｔｏｒＮｕｍ的數(shù)據(jù)到ｔｅｍｐＳｅｃｔ中。最后，設置備份數(shù)據(jù)扇區(qū)號ＳａｖｅＳｅｃｔｏｒＮｕｍ為當前數(shù)據(jù)的扇區(qū)號ＣｕｒｒＳｅｃｔｏｒＮｕｍ，將指定數(shù)據(jù)寫到備份數(shù)據(jù)中，并且設置ＳｅｃｔｏｒＤｉｒｔｙ為“１”。

２．３讀寫數(shù)據(jù)的相關寄存器

根據(jù)ＣＦ卡標準，不能直接訪問ＣＦ卡的數(shù)據(jù)區(qū)域，而需要通過訪問ＣＦ卡內(nèi)的相關寄存器間接讀取或者寫入數(shù)據(jù)。在訪問ＣＦ卡時必須對它們進行正確配置

扇區(qū)數(shù)目寄存器

讀寫操作時，保存需要傳送的扇區(qū)數(shù)目。如果為０，則選擇２５６個扇區(qū)；如果操作成功，操作結束時此寄存器為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。

磁頭寄存器

其中包含了ＬＢＡ位，用于設置地址訪問方式。“１”ＬＢＡ＿Ｍｏｄｅ為邏輯地址訪問方式，“０”為柱面／磁頭／扇區(qū)訪問方式。本系統(tǒng)選擇邏輯地址訪問方式，則該寄存器還包含了邏輯地址的２４～２７位。

扇區(qū)編號寄存器

在采用邏輯地址訪問方式時，該寄存器包含了邏輯地址的０～７位。

柱面低位寄存器

在采用邏輯地址訪問方式時，該寄存器包含了邏輯地址的８～１５位。

柱面高位寄存器

在采用邏輯地址訪問方式時，該寄存器包含了邏輯地址的１６～２３位。

狀態(tài)寄存器

反映了ＣＦ卡的狀態(tài)，其中包含了ＣＦ卡忙位、出錯位、是否準備就緒位等。

數(shù)據(jù)寄存器

存放讀寫數(shù)據(jù)，是一個１６位寄存器。

２．４讀數(shù)據(jù)

從ＣＦ卡讀取一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)，如圖３所示。因為系統(tǒng)采用的ＣＦ卡的扇區(qū)大小為：ＳｅｃｔｏｒＳｉｚｅ＝５１２字節(jié)，假設讀寫數(shù)據(jù)的地址為Ａｄｄｒ，則該地址所在的扇區(qū)號為

Ｓｅｃｔｏｒ＝Ａｄｄｒ％ＳｅｃｔｏｒＳｉｚｅ。

首先配置寄存器，設置讀取的扇區(qū)數(shù)目、相應地址和訪問模式；然后發(fā)送讀命令，等待ＣＦ卡空閑且準備就緒，再從數(shù)據(jù)寄存器中連續(xù)