嵌入式处理器MPC8250与CF卡的接口设计

最近几年，嵌入式处理器蓬勃发展，在通信、航空航天、医疗设备、消费类电子产品等领域一展身手。嵌入式处理器的外围设备也日新月异，例如记忆棒、ＵＳＢ口、ＣＦ卡等。本文从硬件和软件角度出发，介绍了ＣＦ卡在嵌入式系统中的设计和使用技巧。

由于ＣＦ卡具有携带方便、易于升级、存储量大、抗震性好等优点，应用范围越来越广。１９９５年１０月，ＳａｎＤｉｓｋ、柯达、卡西欧、惠普、摩托罗拉、佳能等１２５家厂商发起成立了ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ协会，致力于制定新一代的基于ＲＡＭ和ＲＯＭ技术的固态非易失的存储介质标准——ＣＦ卡标准使不同厂家开发的ＣＦ卡及其接口器件可以互相兼容。目前，ＣＦ卡标准已有１．４版本，容量从最早的２Ｍ字节到现今的１Ｇ字节。

同时，ＣＦ卡遵从ＡＴＡ－ＩＤＥ工业设计标准，连接装置与 ＰＣＭＣＩＡ卡相似，只不过ＣＦ卡是５０引脚（ＰＣＭＣＩＡ卡６８引脚），可以很容易插入无源６８引脚 ＴｙｐｅＩＩ适配卡并完全符合ＰＣＭＣＩＡ电力和机械接口规格。另外，ＣＦ卡的兼容性佳，不仅同时支持３．３Ｖ和５Ｖ的电压，而且不同的ＣＦ卡都可以用单一的机构读写，特别是ＣＦ卡升级换代时也可以保证旧设备的兼容性。而纯电子运动的ＣＦ卡耗电量很低，仅为ＩＢＭ微型硬盘的５％。

１ 系统设计

图１是笔者开发的嵌入式系统框图。其中，嵌入式处理器是ＭＰＣ８２５０，ＰＣＩ１４１０Ａ是连接ＰＣＩ总线和ＣＦ卡的一种接口芯片。

ＭＰＣ８２５０芯片是Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司开发的一款ＰｏｗｅｒＰＣ系列嵌入式处理器。芯片采用小巧而强大的３２位超标量体系结构ＰｏｗｅｒＰＣ ６０３ｅ处理器内核，最高主频为３００ＭＨｚ。它集成了ＰＣＩ桥、ＰＣＩ仲裁器、存储器控制器、中断控制器、ＤＭＡ控制器、１６Ｋ字节指令高速缓存和１６Ｋ字节数据高速缓存等部件。ＭＰＣ８２５０具有三个可配置为百兆或十兆以太网的ＦＣＣ口，四个可配置为串口或网口的ＳＣＣ口，一个多通道ＨＤＬＣ接口。该芯片适用于对成本、空间、功耗和性能都有很高要求的应用领域，例如路由器／接线器、多路ＭＯＤＥＭ、网络存储应用和图像显示等系统。

ＰＣＩ１４１０Ａ芯片是ＴＩ公司开发的一种高性能的ＰＣＩ到ＣＦ卡的控制器，支持遵循ＣＦ卡标准的各类ＣＦ卡。它符合ＰＣＩ总线标准，既可以工作于ＰＣＩ主设备模式，也可以工作于ＰＣＩ从设备模式。

ＭＰＣ８２５０与ＰＣＩ１４１０Ａ之间通过３２位ＰＣＩ局部总线连接，工作频率３３ＭＨｚ。ＭＰＣ８２５０用作ＰＣＩ主设备，ＰＣＩ１４１０Ａ用作ＰＣＩ从设备，同时采用ＭＰＣ８２５０内部的ＰＣＩ仲裁器。

本设计选用ＳａｎＤｉｓｋ公司的型号为ＳＤＣＦＢ－６４－１０１的ＣＦ卡，６４Ｍ字节容量，几何尺寸为３６．４ｍｍ×４２．８ｍｍ×３ｍｍ。ＰＣＩ１４１０Ａ与ＣＦ卡之间的连接遵循ＣＦ卡标准，由地址、数据、控制三组信号组成。ＰＣＩ１４１０Ａ提供了五个通用Ｉ／Ｏ引脚，设计中将其中一个引脚ＧＰＩＯ１用作ＬＥＤ指示。当ＣＦ卡工作时，ＬＥＤ会以６４ｍｓ的周期闪烁。

ＳＤＲＡＭ选用了三星公司的Ｋ４Ｓ５６１６３２Ａ，每片容量２５６Ｍ比特，共四片。

图2 读写CF卡技巧示意图

２ 接口编程

在ＣＦ卡工作前，必须先进行初始化，在整个系统的地址空间中确定ＣＦ卡的位置，预设置ＣＦ卡的工作模式及相关寄存器。本设计中，ＣＦ卡位于系统的０ｘ９Ａ００００００～０ｘ９ＤＦＦＦＦＦＦ地址空间。在每次读写ＣＦ卡时，必须根据读写数据的多少和操作特性来配置相应寄存器。

２．１ ＣＦ卡初始化

本系统中，ＣＦ卡的初始化由ＭＰＣ８２５０通过ＰＣＩ总线配置ＰＣＩ１４１０Ａ的寄存器实现，具体步骤如下：

（１）设置ＣＦ卡的基地址，即配置ＥｘＣＡ寄存器（偏移量：０ｘ１０）。该寄存器定义了ＣＦ卡在ＰＣＩ存储器空间的基地址，即０ｘ９Ａ００００００。

（２）配置ＰＣＩ命令寄存器（偏移量：０ｘ０４），允许ＣＰＵ访问ＰＣＩ存储空间。

（３）配置系统控制寄存器（偏移量：０ｘ８０）。该寄存器定义了一些系统控制位，例如，是否采用ＰＣＩ中断方式，是否采用内部振荡器，是否采用ＤＭＡ等。本设计采用ＰＣＩ中断方式，不采用内部振荡器和ＤＭＡ。[page]

（４）配置多功能引脚寄存器（偏移量：０ｘ８Ｃ）。该寄存器配置通用引脚。本设计配置ＧＰＩＯ１引脚为ＬＥＤ指示，ＧＰＩＯ２引脚为ＰＣＩ中断输出。

（５）配置设备控制寄存器（偏移量：０ｘ９２）。该寄存器选择中断方式，是并行ＰＣＩ中断还是串行ＰＣＩ中断。本设计选择了传统的并行ＰＣＩ中断方式。

（６）配置ＥｘＣＡ电压控制寄存器（偏移量：０ｘ８０２），选择Ｖｃｃ为３．３Ｖ还是５Ｖ。本设计选择Ｖｃｃ为３．３Ｖ。

（７）配置ＥｘＣＡ存储窗口０起始地址低位寄存器（偏移量：０ｘ８１０），即起始地址的Ａ１９～Ａ１２位。ＰＣＩ１４１０Ａ具有五个存储地址翻译窗口和二个Ｉ／Ｏ地址翻译窗口，用于配置ＣＦ卡内寄存器的访问地址，将ＣＦ卡的寄存器映射到系统的存储空间或Ｉ／Ｏ空间，ＭＰＣ８２５０访问这些寄存器就相当于访问一段存储空间或Ｉ／Ｏ空间。本设计中只使用了存储地址翻译窗口０。

（８）配置ＥｘＣＡ存储窗口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存储窗口０结束地址低位寄存器（偏移量：０ｘ８１２），即结束地址的Ａ１９～Ａ１２位。

（１０）配置ＥｘＣＡ存储窗口０结束地址高位寄存器（偏移量：０ｘ８１３），即结束地址的Ａ２３～Ａ２０位。

（１１）配置ＥｘＣＡ存储窗口０地址比较寄存器（偏移量：０ｘ８４０）。在系统访问ＣＦ卡时，如果地址的高８位与该寄存器数值相同，则允许访问，系统将该地址翻译到相应的ＣＦ卡空间；否则，拒之门外。

（１２）配置ＥｘＣＡ存储窗口使能寄存器（偏移量：０ｘ８０６）。该寄存器可以分别打开或关闭五个存储地址翻译窗口和二个Ｉ／Ｏ地址翻译窗口，因为每个窗口对应了寄存器中的一个使能位。芯片的默认值都是关闭的。在本设计中，打开存储地址翻译窗口０。切记在初始化的收官阶段打开翻译窗口使能位，以免功亏一篑。

２．２ 读写ＣＦ卡技巧

由于ＣＦ卡本身的特点，ＣＦ卡由ＡＴＡ控制器和Ｆｌａｓｈ存储器两部分构成。系统访问Ｆｌａｓｈ存储器的速度远远小于访问内存的速度。如果系统频繁访问ＣＦ卡，势必影响系统的实时性和工作效率。所以必须考虑ＣＦ卡读写程序的设计技巧。

根据存储器访问的局部性原理，ＣＰＵ存取数据所访问的存储单元都趋向于聚集在一个较小的连续区域。从时间上看，如果一个信息项正在被访问，那么在近期它很可能还会被再次访问。从空间上看，在最近将用到的信息很可能与目前正在使用的信息在空间地址上是临近的。

本系统的程序设计中，开辟了一个扇区的内存空间ｔｅｍｐＳｅｃｔ，用于存储最近访问过的扇区数据；并设置了两个全局变量：ＳａｖｅＳｅｃｔｏｒＮｕｍ和ＳｅｃｔｏｒＤｉｒｔｙ。ＳａｖｅＳｅｃｔｏｒＮｕｍ保存最近备份的扇区编号。ＳｅｃｔｏｒＤｉｒｔｙ说明备份数据是否与ＣＦ卡中的相应数据一致。如果一致，为“０”；否则为“１”。这样不但可以减少读写ＣＦ卡的次数，而且提高了访问速度，满足嵌入式操作系统的实时性要求。

同时，ＣＦ卡的物理结构也有利于以扇区为单元进行操作。因为ＣＦ卡内部的Ｆｌａｓｈ存储器由若干个扇区组成，而且ＣＦ卡中设置了专门针对扇区操作的寄存器。

所以，本设计中，无论是读一段数据，还是写一段数据，都以扇区为基本单位。如果数据量在一个扇区内，并且地址范围在同一扇区，则先读取所在扇区的数据，然后按照在扇区中的偏移量获得所需数据；如果数据量大于一个扇区，或者地址范围横跨两个扇区，则按次读取扇区，获得所需数据。操作流程如图２所示。

系统初始化时，设置ＳａｖｅＳｅｃｔｏｒＮｕｍ为“０”， ｔｅｍｐＳｅｃｔ中备份了０号扇区的数据；ＳｅｃｔｏｒＤｉｒｔｙ也为“０”，即备份数据未作更改。

当读取一个扇区的数据时，首先比较所读取的扇区号（ＣｕｒｒＳｅｃｔｏｒＮｕｍ），是否与备份数据的扇区号（ＳａｖｅＳｅｃｔｏｒＮｕｍ）一致，如果一致，则从备份数据中读取，加快了访问速度；否则，判断备份数据是否更改，即ＳｅｃｔｏｒＤｉｒｔｙ是否为“１”；如果不是，则从ＣＦ卡中读取扇区号为ＣｕｒｒＳｅｃｔｏｒＮｕｍ的数据到ｔｅｍｐＳｅｃｔ中；否则，先把ｔｅｍｐＳｅｃｔ的数据写回ＣＦ卡，然后从ＣＦ卡中读取扇区号为ＣｕｒｒＳｅｃｔｏｒＮｕｍ的数据到ｔｅｍｐＳｅｃｔ中。最后，设置备份数据扇区号ＳａｖｅＳｅｃｔｏｒＮｕｍ为当前数据的扇区号ＣｕｒｒＳｅｃｔｏｒＮｕｍ，设置ＳｅｃｔｏｒＤｉｒｔｙ为“０”，并从备份数据中读取所需数据。[page]

当写入一个扇区的数据时，首先比较所写入的扇区号（ＣｕｒｒＳｅｃｔｏｒＮｕｍ），是否与备份数据的扇区号（ＳａｖｅＳｅｃｔｏｒＮｕｍ）一致，如果一致，则把数据写入备份数据中，并且设置ＳｅｃｔｏｒＤｉｒｔｙ为“１”；否则，判断备份数据是否更改，即ＳｅｃｔｏｒＤｉｒｔｙ是否为“１”；如果不是，则从ＣＦ卡中读取扇区号为ＣｕｒｒＳｅｃｔｏｒＮｕｍ的数据到ｔｅｍｐＳｅｃｔ中；否则，先把ｔｅｍｐＳｅｃｔ的数据写回ＣＦ卡，然后从ＣＦ卡中读取扇区号为ＣｕｒｒＳｅｃｔｏｒＮｕｍ的数据到ｔｅｍｐＳｅｃｔ中。最后，设置备份数据扇区号ＳａｖｅＳｅｃｔｏｒＮｕｍ为当前数据的扇区号ＣｕｒｒＳｅｃｔｏｒＮｕｍ，将指定数据写到备份数据中，并且设置ＳｅｃｔｏｒＤｉｒｔｙ为“１”。

２．３ 读写数据的相关寄存器

根据ＣＦ卡标准，不能直接访问ＣＦ卡的数据区域，而需要通过访问ＣＦ卡内的相关寄存器（这些寄存器的基地址在ＣＦ卡初始化时配置，见２．１节）间接读取或者写入数据。在访问ＣＦ卡时必须对它们进行正确配置：

（１）扇区数目寄存器（Ｓｅｃｔｏｒ＿ＣＮＴ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）

读写操作时，保存需要传送的扇区数目。如果为０，则选择２５６个扇区；如果操作成功，操作结束时此寄存器为０；如果操作不成功，此寄存器包含了有待完成的扇区数目。

（２）磁头寄存器（Ｓｅｌｅｃｔ＿ＨＥＡＤ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）

其中包含了ＬＢＡ位（１比特），用于设置地址访问方式。“１”ＬＢＡ＿Ｍｏｄｅ为逻辑地址访问方式，“０”为柱面／磁头／扇区访问方式。本系统选择逻辑地址访问方式，则该寄存器还包含了逻辑地址的２４～２７位。

（３）扇区编号寄存器（Ｓｅｃｔｏｒ＿ＮＵＭ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）

在采用逻辑地址访问方式时，该寄存器包含了逻辑地址的０～７位。

（４）柱面低位寄存器（Ｃｙｌｉｎｄｅｒ＿ＬＯ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）

在采用逻辑地址访问方式时，该寄存器包含了逻辑地址的８～１５位。

（５）柱面高位寄存器（Ｃｙｌｉｎｄｅｒ＿ＨＩ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）

在采用逻辑地址访问方式时，该寄存器包含了逻辑地址的１６～２３位。

（６）状态寄存器（Ｓｔａｔｕｓ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）

反映了ＣＦ卡的状态，其中包含了ＣＦ卡忙（Ｂｕｓｙ）位、出错位（Ｅｒｒ）、是否准备就绪位（Ｒｄｙ）等。

（７）数据寄存器（Ｄａｔａ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）

存放读写数据，是一个１６位寄存器。

２．４ 读数据

从ＣＦ卡读取一个扇区的数据，如图３所示。因为系统采用的ＣＦ卡的扇区大小为：ＳｅｃｔｏｒＳｉｚｅ ＝ ５１２字节，假设读写数据的地址为Ａｄｄｒ，则该地址所在的扇区号为：

Ｓｅｃｔｏｒ ＝ Ａｄｄｒ ％ ＳｅｃｔｏｒＳｉｚｅ。

首先配置寄存器，设置读取的扇区数目、相应地址和访问模式；然后发送读命令（０ｘ２０），等待ＣＦ卡空闲且准备就绪，再从数据寄存器中连续读取一个扇区的数据；完成读取后，等待ＣＦ卡空闲；程序返回。

２．５ 写数据

将数据写入ＣＦ卡的操作与从ＣＦ卡读取数据的操作类似，如图４所示。首先配置寄存器，设置写入的扇区数目、相应地址和访问模式；然后发送写命令（０ｘ３０），等待ＣＦ卡空闲并且处于准备状态，连续向数据寄存器写入一个扇区的数据；完成写入后，等待ＣＦ卡空闲，程序返回。

本设计采用的操作系统是μＣ／ＯＳ——一个源代码完全公开的嵌入式操作系统。所有读写ＣＦ卡的函数都用Ｃ语言编制，并能在系统中有效工作。