Intel Xscale PXA255嵌入式處理器與CF卡的硬件接口設(shè)計(jì)

以導(dǎo)航設(shè)備存儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)用為例，本文討論了Intel Xscale PXA255嵌入式處理器與CF卡的硬件接口設(shè)計(jì)，并以讀寫(xiě)CF卡扇區(qū)的程序?yàn)槔?，給出了CF卡軟件編寫(xiě)的技巧。該設(shè)計(jì)為基于PXA255處理器的嵌入式系統(tǒng)提供了擴(kuò)展存儲(chǔ)空間的一種方法。

圖1：CF卡結(jié)構(gòu)框圖

??? Intel Xscale PXA255處理器是新一代的嵌入式處理器，基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的微處理器，性?xún)r(jià)比較高、功耗較低，適合于數(shù)字移動(dòng)電話(huà)、個(gè)人數(shù)字助理、網(wǎng)絡(luò)路由器等嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。在采用PXA255處理器開(kāi)發(fā)諸如車(chē)載導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)，電子地圖等海量地理信息數(shù)據(jù)需要一個(gè)容量大、體積小、性能優(yōu)異的存儲(chǔ)器?！癈ompact Flash”卡，簡(jiǎn)稱(chēng)CF卡，具有高速度、大容量、體積小、重量輕、功耗低和高性?xún)r(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，十分適合嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用。因此，可選擇CF卡作為地理信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)載體。PXA255處理器提供了PCMCIA/CF卡控制器，可以方便地實(shí)現(xiàn)PXA255處理器與CF卡的接口設(shè)計(jì)。

CF卡結(jié)構(gòu)和工作原理

??? Compact Flash技術(shù)是由CF協(xié)會(huì)(CFA)提出的一種與PC機(jī)ATA接口標(biāo)準(zhǔn)兼容的技術(shù)。如圖1，CF卡由兩個(gè)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(chǔ)數(shù)據(jù)。內(nèi)部控制器用來(lái)實(shí)現(xiàn)CF卡與主機(jī)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(jì)完全模擬硬盤(pán)，使用標(biāo)準(zhǔn)的ATA/IDE接口。

??? CF卡的存取方式有三種：PC Card Memory模式、PC Card I/O模式以及True IDE模式。PC Card模式與PCMCIA標(biāo)準(zhǔn)兼容。True IDE模式與ATA標(biāo)準(zhǔn)兼容。三種方式相比，在True IDE模式下，CF卡與主機(jī)通信的信號(hào)最少，硬件接口最簡(jiǎn)單、軟件易于實(shí)現(xiàn)，因此本設(shè)計(jì)采用了True IDE模式。

??? CF卡扇區(qū)尋址有兩種方式：物理尋址方式(CHS)和邏輯尋址方式(LBA)。物理尋址方式使用柱面、磁頭和扇區(qū)號(hào)表示一個(gè)特定的扇區(qū)，起始扇區(qū)是0磁道、0磁頭、1扇區(qū)，接著是2扇區(qū)，一直到EOF扇區(qū)；接下來(lái)是同一柱面1頭、1扇區(qū)等。邏輯尋址方式將整個(gè)CF卡同一尋址。邏輯塊地址和物理地址的關(guān)系為：LBA地址=(柱面號(hào)×磁頭數(shù)+磁頭號(hào))×扇區(qū)數(shù)+扇區(qū)數(shù)-1。

??? CF卡沒(méi)有機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此CF卡的扇區(qū)尋址適宜采用邏輯尋址方式。邏輯尋址方式?jīng)]有磁頭和磁道的轉(zhuǎn)換操作，因此在訪(fǎng)問(wèn)連續(xù)扇區(qū)時(shí)，操作速度比物理尋址方式快得多。

??? 對(duì)于CF卡的操作(如：讀/寫(xiě))，其實(shí)就是對(duì)CF卡控制器的寄存器進(jìn)行操作。所以，必須對(duì)CF卡的寄存器十分熟悉。這些寄存器統(tǒng)稱(chēng)為任務(wù)文件(task file)寄存器：
1．?dāng)?shù)據(jù)寄存器(讀/寫(xiě))，用于CF卡的讀寫(xiě)操作。主機(jī)通過(guò)該寄存器向CF卡數(shù)據(jù)緩沖寫(xiě)入或從CF卡數(shù)據(jù)緩沖讀出數(shù)據(jù)。
2．錯(cuò)誤寄存器(Read)和特性寄存器(Write)。讀操作時(shí)，此寄存器為錯(cuò)誤寄存器，用于指明錯(cuò)誤的原因；寫(xiě)操作時(shí)，此寄存器為特性寄存器。
3．扇區(qū)數(shù)寄存器(讀/寫(xiě))，用來(lái)記錄讀、寫(xiě)扇區(qū)的數(shù)目。
4．扇區(qū)號(hào)寄存器(讀/寫(xiě))，用來(lái)記錄讀、寫(xiě)和校驗(yàn)命令指定的起始扇區(qū)號(hào)或邏輯塊地址(LBA)的BIT7：0。
5．柱面號(hào)寄存器(讀/寫(xiě))，用來(lái)記錄讀、寫(xiě)、校驗(yàn)和尋址命令指定的柱面號(hào)或LBA的BIT23：8。
6．驅(qū)動(dòng)器/磁頭寄存器(讀/寫(xiě))，記錄讀、寫(xiě)、校驗(yàn)和尋道命令指定的驅(qū)動(dòng)器號(hào)、磁頭號(hào)或LBA的BIT27：24，其中BIT6(LBA)用來(lái)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)。

?????????????????? 圖2：CF卡地址空間存儲(chǔ)映像

7．狀態(tài)寄存器(讀)和命令寄存器(讀/寫(xiě))，讀操作時(shí)，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)；寫(xiě)操作時(shí)，該寄存器是命令寄存器，接收主機(jī)發(fā)送給CF卡的控制命令。

PXA255處理器與CF卡的硬件接口設(shè)計(jì)

1. PXA255的PC Card/CF卡控制器

??? PXA255處理器PC Card/CF卡控制器可以支持一個(gè)PCMCIA卡或CF卡插槽，利用nPSKTSEL引腳可以支持第2個(gè)插槽。寄存器MECR用于向PXA255處理器的PC Card/CF卡控制器指出是否有CF卡插入，以及系統(tǒng)支持的CF卡的插槽數(shù)目。在有卡插入時(shí)，軟件必須將MECR的CIT比特位置1；所有的卡拔出時(shí)，則必須將之清零。

??? PXA255處理器PC Card/CF卡接口支持8、16位外圍設(shè)備，而且可以處理公共存儲(chǔ)器(Common Memory)、I/O和特性存儲(chǔ)器(Attribute Memory)三種方式的存取。每次訪(fǎng)問(wèn)的時(shí)間取決于MCMEMx、MCATTx和MCIOx寄存器的設(shè)置。圖2給出了PXA255處理器16位PC Card/CF卡地址空間的存儲(chǔ)器映像。16位PC Card/CF卡存儲(chǔ)器映像空間分為8塊。每個(gè)插槽對(duì)應(yīng)其中4塊，分別為公共存儲(chǔ)器、I/O、特性存儲(chǔ)器和保留空間。每個(gè)塊的大小為64M。

??? 每次訪(fǎng)問(wèn)PC Card /CF卡對(duì)應(yīng)的地址空間，PC Card/CF卡控制器將同時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)SA_A25：0、nPREG和nPSKTSEL。(注：PXA255處理器的地址總線(xiàn)為SA_A25：0。)

??? 如果訪(fǎng)問(wèn)公共存儲(chǔ)器和特性存儲(chǔ)器地址空間，PC Card/CF卡控制器驅(qū)動(dòng)地址總線(xiàn)的時(shí)候，同時(shí)驅(qū)動(dòng)nPCE1、nPCE2信號(hào)，并使用nPOE和nPWE信號(hào)作為讀寫(xiě)控制信號(hào)。

??? 如果是訪(fǎng)問(wèn)I/O空間，nPCE1、nPCE2的值取決于CF卡的信號(hào)輸出nIOIS16，而且在nIOIS16有效后，nPCE1、nPCE2將有效固定的一段時(shí)間。nIOIS16信號(hào)用來(lái)決定傳送的數(shù)據(jù)總線(xiàn)的寬度(8位或16位)：nIOIS16=1，表明當(dāng)前的數(shù)據(jù)總線(xiàn)為8位，nPCE1有效；nIOIS16=0表明當(dāng)前的數(shù)據(jù)總線(xiàn)為16位，nPCE1、nPCE2同時(shí)有效。PXA255使用nPCE2向外部設(shè)備指出操作將使用數(shù)據(jù)總線(xiàn)的高8位，使用nPCE1向外部設(shè)備指出操作將使用數(shù)據(jù)總線(xiàn)的低8位。I/O地址空間的訪(fǎng)問(wèn)使用nPIOW和nPIOR信號(hào)作為讀寫(xiě)控制信號(hào)。

2. PXA255與CF卡硬件接口設(shè)計(jì)

圖3：硬件接口電路

??? 本設(shè)計(jì)僅采用一個(gè)CF卡插槽，使用Socket0的I/O地址空間，而且CF卡采用True IDE模式。則訪(fǎng)問(wèn)地址空間為0x20000000-0x24000000時(shí)，PC Card/CF卡控制器將同時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)SA_A25：0、nPREG和nPSKTSEL，并使用nPIOW和nPIOR信號(hào)作為讀寫(xiě)控制信號(hào)。True IDE模式支持8位存取，也支持16位存取。

??? 在True IDE模式下，某些信號(hào)有特殊的含義，必須采用True IDE模式下特有的設(shè)置方法。如表1所示，nCE1是任務(wù)文件寄存器片選信號(hào)，低電平有效；nCE2是交替狀態(tài)(Alternate Status)寄存器和設(shè)備控制(Device Control)寄存器片選信號(hào)，也是低電平有效。因?yàn)閷?shí)際操作中，極少使用交替狀態(tài)寄存器和設(shè)備控制寄存器，所以對(duì)CF卡的操作實(shí)際就是對(duì)任務(wù)文件寄存器的操作。因此，一般設(shè)置nCE1=0，nCE2=1。實(shí)現(xiàn)方法：在CPLD中設(shè)置nCE1=SA_A4，nCE2=not SA_A4。這樣設(shè)置是有根據(jù)的。表1是True IDE模式下I/O編碼表。主機(jī)操作CF卡時(shí)，系統(tǒng)僅使用地址總線(xiàn)A2：0，用于選擇組成任務(wù)文件寄存器的8個(gè)寄存器之一。而地址總線(xiàn)A10：3由主機(jī)接地。因此，nCE1=SA_A4即nCE1=0；nCE2=not SA_A4即nCE2=1。表1中，-CE1=0時(shí)，對(duì)應(yīng)的8個(gè)寄存器統(tǒng)稱(chēng)為任務(wù)文件寄存器。

??? 需要注意的是，在True IDE模式下，nOE不是讀使能信號(hào)，而是CF卡True IED模式的使能信號(hào)。CF卡上電時(shí)，若nOE(PIN9)為"0"，則CF卡自動(dòng)進(jìn)入True IDE模式；若nOE="1"則進(jìn)入PC Card 模式。當(dāng)電源一直接通時(shí)，熱拔插CF卡將會(huì)使其從原來(lái)的True IDE模式重新配置成PC Card模式。因此，熱插拔過(guò)程中，為了使CF卡工作在True IDE模式，需要在CF卡加電啟動(dòng)的時(shí)侯，同時(shí)將nOE信號(hào)接地。實(shí)現(xiàn)的方法：在CPLD中將nOE置0。True IDE模式下，nWE也不用作寫(xiě)使能信號(hào)，而應(yīng)該由主機(jī)將之接地。處理方法：在CPLD中將其只置為1。

??? 還有一點(diǎn)需要注意的是： Reset信號(hào)在True IDE 模式下低電平有效，而在其它模式下高電平有效。將Reset信號(hào)接到PXA255的系統(tǒng)復(fù)位信號(hào)Reset_SYS。

??? True IDE模式下，PXA255處理器與CF卡的硬件接口電路如圖3所示。

??? 在圖3中，D15：0為數(shù)據(jù)總線(xiàn)。RDnWR信號(hào)用來(lái)控制數(shù)據(jù)總線(xiàn)的方向(系統(tǒng)處于讀狀態(tài)時(shí)，RDnWR=1；系統(tǒng)處于寫(xiě)狀態(tài)時(shí)，RDnWR=0)。nPSKTSEL信號(hào)用作數(shù)據(jù)總線(xiàn)的傳輸使能。SA_A10：0(CF_A10：0)為地址總線(xiàn)。在True IDE 模式下，CF卡的PSKTSEL引腳是主從(Master/Slave)選擇信號(hào)：當(dāng)PSKTSEL懸空時(shí)，CF卡是Slave設(shè)備；當(dāng)PSKTSEL=0時(shí)，CF卡是Master設(shè)備。設(shè)計(jì)僅采用一個(gè)CF卡插槽，所以將PSKTSEL接地。在TRUE IDE模式下，REG信號(hào)沒(méi)有用處，應(yīng)該接電源VCC。IREQ是中斷請(qǐng)求信號(hào)。利用IREQ信號(hào)，PXA255處理器可以判斷CF卡是否處于讀寫(xiě)忙狀態(tài)，對(duì)CF卡進(jìn)行讀寫(xiě)之前利用此引腳判斷CF卡是否空閑。nWAIT信號(hào)用于指示讀寫(xiě)操作正在進(jìn)行，請(qǐng)求處理器等待。

3. CF卡熱插拔、即插即用功能的實(shí)現(xiàn)

??? 在自身設(shè)計(jì)上，CF卡注重軟硬件兩方面的配合。軟硬件的協(xié)同設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)CF卡熱插拔、即插即用的功能。

??? 一是硬件提供判斷條件。CF卡硬件電路提供了兩個(gè)用來(lái)檢測(cè)CF卡是否存在的引腳(nCD1和nCD2)。nCD1和nCD2的有效電平均為低電平，當(dāng)主機(jī)檢測(cè)到與其相連的nCD1和nCD2引腳同時(shí)為低電平時(shí)，可判斷出CF卡與主機(jī)相連；當(dāng)主機(jī)檢測(cè)到與其相連的nCD1和nCD2兩個(gè)引腳不同時(shí)為低電平，則可判斷出CF卡未與主機(jī)相連。

表1：True IDE模式I/O編碼

??? 二是軟件。首先定義全局變量(如：Cf_IsInsert)，用于記錄CF卡是否與主機(jī)相連：當(dāng)Cf_IsInsert為0時(shí)表示CF卡未與主機(jī)相連；當(dāng)Cf_IsInsert為1時(shí)表示CF卡與主機(jī)相連。然后，在每次操作CF卡之前都先檢測(cè)CF卡的nCD1和nCD2引腳。當(dāng)檢測(cè)到nCD1和nCD2引腳同時(shí)為低電平(有卡插入)且Cf_IsInsert為0時(shí)，復(fù)位CF卡，重新檢測(cè)CF卡的FAT表，統(tǒng)計(jì)還有多少剩余空間可以分配。檢測(cè)完畢后，置變量Cf_IsInsert為1，然后設(shè)置MECR寄存器CIT比特位。當(dāng)檢測(cè)到nCD1和nCD2引腳同時(shí)為低電平，且Cf_IsInsert為1時(shí)，設(shè)置MECR寄存器CIT比特位，繼續(xù)CF卡的正常操作。當(dāng)檢測(cè)到nCD1和nCD2引腳為高時(shí)(無(wú)卡插入)，停止CF卡操作，清除MECR寄存器CIT比特位，置變量Cf_IsInsert為0。

讀/寫(xiě)CF卡扇區(qū)程序的編寫(xiě)方法

???? CF卡的讀寫(xiě)是以一個(gè)扇區(qū)為基本單位的。在讀寫(xiě)一個(gè)扇區(qū)之前必須先指明當(dāng)前需要讀寫(xiě)的柱面、頭和扇區(qū)或LBA地址，然后發(fā)送讀寫(xiě)命令。一個(gè)扇區(qū)的512字節(jié)需要一次性連續(xù)讀出或者寫(xiě)入。主機(jī)讀/寫(xiě)CF卡上一個(gè)文件的過(guò)程是這樣的：
1．CF卡初始化。CF卡上電復(fù)位和統(tǒng)計(jì)剩余空間的大小。
2．CF卡內(nèi)部控制器向CF卡某些寄存器填寫(xiě)必要的信息。如向扇區(qū)號(hào)寄存器填寫(xiě)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)的起始扇區(qū)號(hào)或LBA地址、向扇區(qū)數(shù)寄存器填寫(xiě)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)所占的扇區(qū)個(gè)數(shù)、設(shè)置CF卡的扇區(qū)尋址方式等。
3．向CF卡的命令寄存器寫(xiě)入操作CF卡的命令。如寫(xiě)操作向CF卡的命令寄存器寫(xiě)入30H，讀操作向CF卡的命令寄存器寫(xiě)入20H。
4．CF卡有數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求之后，主機(jī)讀寫(xiě)CF卡的數(shù)據(jù)寄存器，從而實(shí)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(xiě)入數(shù)據(jù)。
5．在執(zhí)行以上操作的過(guò)程中，每執(zhí)行一步，都應(yīng)該檢測(cè)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(xiě)檢測(cè)代碼)。

本文小結(jié)

??? 前面詳細(xì)介紹了CF卡的工作原理、PXA255處理器的PC Card/CF卡控制器的特性，給出了基于PXA255處理器的嵌入式導(dǎo)航設(shè)備存儲(chǔ)系統(tǒng)的一種實(shí)現(xiàn)方案。目前，該設(shè)計(jì)已經(jīng)在印刷電路板上實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。