基于GPIF的USB-ATA解决方案

    摘要：利用EZ-USB FX及FX2系列中GPIF的功能，提出了一套解决USB-ATA的可行性方案，并给出了单片机控制硬盘时PIO模式和UDMA模式的实现方法。此方案具有速度快、性能高、占用CPU资源少等特点。

    关键词：ATA接口 通用可编程接口（GPIF） 通用串行总线（USB） UDMA模式

目前，通过单片机去控制硬盘的ATA接口，大多采用PIO模式实现，速度和性能上都不狗理想，硬盘与PC机的连接也相当繁琐。要频繁地与PC机交换大量资源，采用USB硬盘是一个相当好的解决方案。本文给出一个如何利用单片机完成对硬盘的读写，同时具有USB-ATA功能的可行方案。

1 USB、GPIF、ATA接口

1.1 USB总线

USB（Universal Serial Bus）[4]是一种串行接口的新标准，其主要优点是速度快、功耗低、支持即插即用（Plug & Play）、使用安装方便。USB支持最多5个Hub层以及127个外设，所有外设通过协议共享USB的带宽。目前使用中的USB协议有1.0、1.1和2.0三个版本，通过速率分别为1.5Mbps、12Mbps、480Mbps，USB协议向下兼容。

从逻辑结构上讲，USB数据的传输是通过管道进行的，管道的两端连接host和device的端点BUFFER，BUFFER的大小直接影响通讯的速率。USB系统软件通过缺省管道（与端点0相对应）管理设备，设备驱动程序通过其它管道来管理设备的功能接口。每一个USB设备在主机看来就是一个端点的集合，主机只能通过端点与设备进行通讯。在USB系统中，每一个端点都有唯一的地址，这是由设备地址和端点号给出的。每个端点都有一定的特性，其中包括：传输方式、总线访问频率、带宽、端点号、数据包的最大容量等。根据应用场合的同选择相应的端点类型。USB数据流模型见图1。

1.2 GPIF

GPIF（general programmable interface）[1、2]即通用可编程接口，是CYPRESS公司在其EZ-USB FX以及FX2系列单片机里设计的一个可由用户编程的接口，具有快速、灵活等特点，可使用多种协议完成与外围器件的无缝连接，如EIDE/ATAPI、IEEE1284、Utopia等。对其可以根据需要进行编程，且运行中不需要CPU的干预，仅通过一些CPU标志和中断与增强型8051内核通讯。GPIF与8051内核的关系见图2。

    GPIF主要组成部分：

（1）ADR[5..0]：地址线，可作为扩展存储器的低位地址，在连续执行GPIF动作时具有自动增一功能。可对其对应的寄存器进行读写（FX2系列中扩充为9根地址线）。

（2）RDY[5..0]：输入Ready信号，可对指定的信号进行连续采样，以确定GPIF动作继续、等待或是反复不断采样，直到信号的指定状态出现。通常用来等待指定信号的某个状态出现，然后继续剩余动作。

（3）CTL[5..0]：输出Control信号，根据编程指令输出高低电平或集电极开路。通常用作选通信号、非总线输出信号，以及产生简单的脉冲信号。

（4）FD[15..0]：双向FIFO数据线，一般又称AFI、BFI。

（5）IFCLK：时钟接口，决定使用外接时钟还是使用内部48MHz或30MHz时钟周期。

（6）GSTATE[2..0]：当前GPIF状态数，可用来判断当前GPIF工作状态，一般调试用。

（7）GPIF PROGRAM：GPIF程序存储区间0x7900～0x797F,存储GPIF指令，可存储4组波形的程序代码（FX2系列存储区间为0xE400～0xE47F）。

每个GPIF动作都由七段组成：Interval0～Interval6，简称I0～I6。执行完I0～I6的动作后，最后都进入IDLE（I7），即空闲状态，以准备启动下次GPIF动作。每个Interval可以定义为Non-Decision Interval，简称NDP；或是Decision Point Interval，简称DP。

当某个Interval定义为NDP，在执行这个Interval动作时，只是简单地延时，用来确定产生指定电平的延续时间；而当Interval定义为DP时，它将根据RDY0～RDY5上的输入信号状态，以及内部FIFO的可编程标志和一个内部自定义的Internal Ready标志，将这些信号进行逻辑与、逻辑或，或是进行逻辑异或，根据得到的逻辑结果在I0～I6中选择下一个即将执行的Interval。在每个Interval执行时，都可指定CTL0～CTL5输出用户指定的状态。通过RDY和CTL以及内部一些标志位的组合，能完成各种复杂的时序电路的控制。

    1.3 ATA接口

ATA[3]接口是在ST506基础上改进而成的，它将控制器集成到驱动器中，采用8个端口寄存器完成对硬盘的读写。这些端口寄存器统称为命令块寄存器，各寄存器功能见表1。ATA有两种工作模式：PIO模式和DMA模式。PIO传输模式是由处理器负责信息的传输，以扇区为单位，用中断请求方式与处理器进行数据交换。DMA传输模式分多点DMA和UDMA两种方式，其不需要处理器参与整个数据传输过程，而由I/O口直接将数据传送到存储器中，从而节约大量CPU时间，可更好地其他事务。UDMA中采用了冗余校验技术（CRC）。控制器对硬盘的操作分为两种：8位数据的命令操作和16位数据的数据传输操作。在对硬盘输出控制命令前，程序需对端口完整输出7字节的命令块。其中前六个端口输出为参数，最后一个端口为命令码。在读写数据端口时，以512个字节作为数据块进行读写。硬盘执行命令后，发出中断请求，表示操作结束（结束传输）；或置控制器状态空闲，表示扇区请求传输（数据传输）。然后，控制器读取硬盘状态寄存器，检测硬盘操作的成功与否。操作正常，则进行下一次动作；否则，进入错误处理程序。状态寄存器各位信息描述见表2。

表1 端口寄存器功能及地址分配

A1	A2	A3	扇区读操作	扇区写操作	位数
0 0 0 0 1 1 1 1	0 0 1 1 0 0 1 1	0 1 0 1 0 1 0 1	数据寄存器 错误寄存器 扇区计数器 扇区号寄存器 柱面号寄存器（低字节） 柱面号寄存器（高字节） 驱动器/头寄存器 状态寄存器	数据寄存器 写预补偿寄存器 扇区计数器 扇区号寄存器 柱面号寄存器（低字节） 柱面号寄存器（高字节） 驱动器/头寄存器 命令寄存器	16 8 8 8 8 8 8 8

表2 状态寄存器各位信息

符号	位	描述	真值
BSY DRDY DWF DSC DRQ CORR IDX ERR	7 6 5 4 3 2 1 0	控制器忙 驱动器就绪 驱动器故障 寻道结束 服务请求 ECC检验错误 收到索引 命令执行出错	1 1 1 1 1 1 1 1

2 GPIF与ATA接口的硬件连接

GPIF与ATA接口的连接见表3。

表3 GPIF接口与ATA接口的硬件连接*

GPIF信号线	ATA接口信号线	GPIF信号线	ATA接口信号线
PA3 PB[0..7] PD[0..7] ADR[0..2] PC6 PC7 RDY1	RESET DD[0..7] DD[8..15] DA[0..2] CS0 CS1 IOCS16	RDY0 CTL0 CTL1 CTL2 PC3 RDY2 INT0	IORDY DIOW DIOR DMACK DASP DMARQ INTRQ

*KEYPIN、PDIAG引脚悬空，此处不涉及该引脚功能的实现。

    其中PB[0..7]和PD[0..7]是双向FIFO数据线，用来连接数据线DD[0..15]，进行数据的传送；PA3连接RESET信号线，对硬盘进行复位操作；ADR[0..2]与DA[0..2]连接，对寄存器地址；RDY0、RDY1分别与IORDY、IOCS16连接，使FIFO分别工作在8位的命令传输和16位的数据传输模式下。

3 软件设计流程

GPIF的程序存储区可存储4组波形的程序代码。一般情况下存储的4组波形分别用于单字节读、单字节写、多字节连续读、多字节连续写。对不同寄存器的读写操作将触发指定波形程序代码的执行，例如：读SGLDATLTRIG寄存器，GPIF则执行单字节写操作。当GPIF处于IDLE方式时，可以对程序区进行读写操作，从而改变波形程序。对GPIF的编程，可采用CYPRESS公司提供的一个基于Windows界面的开发工具。这个工具使得好GPIF的编程成为一个填表式的选择过程。对所有选项选择完毕后，它将自动生成C51的源代码，完成初始化过程。现分别以EZ-USB FX系列和EZ-USB FX2系列中的GPIF为例，实现ATA接口中的PIO工作模式和UDMA工作模式。

在EZ-USB FX系列里，FIFO只有64字节大小，BULK端点UBFFER最大也只能设置为64字节。因此，用此系列的GPIF实现ATA接口的PIO模式比较合适。GPIF程序存储区分别存储单元字节读、单字节写、多字节连续读、多字节连续写4条波形程序。单字节读、写操作时，选择数据宽度为8位，完成命令传输操作。多字节读、写操作时，选择数据宽度为16位，完成数据传输操作。USB数据上传给PC机，采用BULK方式。在EZ-USB FX系列中，端点2支持BULK方式，且可以设置成双缓冲模式。单字节读过程中，总线宽度为8位，RDY0信号接IORDY经脚，在每个Interval中可以根据选定的PIO模式指定合适的延时，也可以对IORDY信号采样，直到指定状态出现才继续动作。图3是根据PIO模式4采用GPIF产生的单字节读波形。单字节写波形的编程类似于单字节读过程，如图4所示。单字节操作一般用在命令传输中，数据传输则采用多字节读写操作，此时FIFO宽度为16，长度为64字节。与单字节操作不同的是，多字节读写操作在一次读写操作完成后，自动开始下一次读写操作，不需要再次触发，直到完成指定的次数，从而减少了CPU参与的时间。在对一个扇区进行操作时，总共需要连续进行256次读写。为此，设计一个连续64次读写的多字节读写操作程序，调用4次，则完成对一个扇区的读写。PIO模式流程图如图5所示。

    在EZ-USB FX2系列中，GPIF功能进一步完善，能更好地与ATA接口连接，并可以支持UDMA功能。FX2系列支持USB2.0的控制芯片，BULK端点大小可以设置为512字节或者1024字节。为实现UDMA功能，FX2系列中的GPIF做了几方面的改善。先是让GPIF中的Slave FIFO与USB通讯中端点BUFFER直接建立连接，数据的传送不再需要CPU的参与。当端点BUFFER写满后，置BUFFER满标志位，而GPIF则根据此标志位停止读写动作。此外，GPIF中还多了一项Re-execute功能，即重复执行功能。设定此项后，GPIF可以不经过IDLE状态而根据采样RDY信号重复下一次动作，直到出现了指定的标志位后才停止动作。这项功能一般用于大批量数据的连续读写，如UDMA模式下对一个或多个扇区的读写操作。为完成UDMA模式下的CRC校验，FX2系列的芯片中还设置了特殊寄存器来完成CRC校验工作，具体使用详见芯片技术手册。可见，FX2系列芯片的GPIF能很好地胜任ATA接口中的UDMA模式传输。

上述方案较好地实现了USB-ATA的功能，并实现了PIO和UDMA两种模式。在运行中，GPIF不需要CPU的干预，仅通过一些CPU标志和中断与8051内核通讯，节约大量CPU资源。从该方案中还可以看出，EZ-USB FX以及FX2系列芯片的地址线、数据线都未用到。因此，在此方案上还可以进行其他扩展，从而实现基于硬盘的大容量数据采集系统，应用于某些特殊环境下的数据采集。