Flash硬盘及其在GPS车载导航仪中的应用

    摘要：介绍用于车载GPS导航仪的大容量Flash硬盘。分析了系统的工作原理和组成特点。该硬盘具有体积小、重量轻、功耗低、抗振动性好等特点，可用于各种类型的车载计算机数据存储系统。

    关键词：快闪存储器 自主导航 硬盘

1 GPS车载导航仪概述

随着现代交通运输网络和汽车工业的飞速发展，车辆的自主导航和实时监控越来越受到人们的普遍关注，并被广泛地应用到交通运输网络的各个方面。

TRACK-II型GPS车载导航仪是我研究所与香港ARCON公司合作研制的最新一代车载导航仪。它是一种基于GPS技术并融合电子和通信技术的集成信息的硬件和软件平台，具有GPS准确定位、路线最优引导、旅行信息查询、出行信息查询、驾驶员信息查询等信息综合服务功能。从所完成的功能来划分，GPS车载导航仪可以划分为物理层、数据链路层和应用层。物理层获取当前车辆的相关信息，包括姿态、位置、方向和时间等信息，以及与当前位置相关地理信息数据；数据链路层则在所获取原始数据信息的基础之上，进行系列的数据滤波处理，为应用层提供标准数据接口。同时通过数据链路层，GPS车载导航仪可以与外部数据平台进行双向数据通信，以实现数据交换；应用层采用面向对象的设计技术，通过标准数据接口，利用人工智能、模糊控制和专家系统的方法，实现诸如地图匹配、最优路径选择等功能。

    该GPS车载导航仪的物理层是车载系统信息集成的硬件平台，它主要包括具有RISC结构的32位CPU ARM9TDMI、大容量的Flash硬盘（存放过程数据、电子地图和各种数据库信息）和GSM通信模块。限于篇幅，主要介绍该导航仪中为适应数据大容量存储而设计的Flash硬盘的功能和工作原理。

2 Flash硬盘硬件组成

作为车载系统信息集成的硬件平台，GPS车载导航仪需要快速读取硬盘中的地理信息数据、查询路网数据库和执行路径选优算法等。大容量存储器因为要与CPU进行频繁的通信、进行离速协调工作，它的可靠程度直接决定了导航仪的可靠性。采用磁原理的普通PC机硬盘，抗振动能力差、易于损坏，不适于车载。基于以上的要求我们设计了大容量的Flash硬盘，作为导航仪的数据存储器。

我们设计的Flash硬盘是一种固态盘SSD（Solid State Disk）。它主要包括具有标准IDE接口的DSP控制器MX9691、程序存储器和16片128Mbit的Flash存储器芯片。因为全部采用电子元件，它的抗振动和平均无故障间隔时间（MTTF）均比普通硬盘高一个数据级（采用Bellcore或Mil-spec方法）。

2.1 硬盘控制器MX9691简介

    MX9691是旺宏公司生产的电子硬盘专用控制器，为128 脚LQFP封，具有宽电压工作范围（3.3～5V），可提供标准的PCMCIA和IDE接口。它的内部包括MX9311的DSP内核（21MIPS）、1KB的缓冲数据区、PCMCIA/ATA接口、Flash存储器接口和时钟、复位电路等。用MX9691设计的电子硬盘的扩展性好，只要选用相应的固件，可以任意选择相应类型和数目的Flash存储器，并且有很好的兼容性。图1为其功能框图。

2.2 Flash存储器芯片简介

采用的Flash芯片为KM29U128T。它是48脚表面封装器件，内部具有（16M+512K）×8bit的存储空间，共32768行，528列，其中后备的16列位于523列到527列。它内部有一个528字节的数据寄存器，可以用于页读、页编程操作时数据的存储转换。它可以进行528字节为页的页读和写操作，并可以进行以16K为一块的块擦除操作。

KM29U128T的突出优点在于：命令、地址和数据信息均通过8条I/O线传输，寻址单元的地址线不作为芯片的引出脚，24位地址分三次写入地址锁存器，译码后找到相应的单元。

3 Flash硬盘工作原理

Flash硬盘由具有标准IDE接口的MX9691DSP芯片、程序存储器MX28F2100T、总线驱动器74F244、74F245和16片16M×8bit的KM29U128T组成。

3.1 原理框图

Flash硬盘工作原理框图如图2所示。

下面介绍MX9691的引脚信号：

A[15:0] 地址线，具有内部上拉电阻（与Flash存储器接口）；

FCE[7:0] Flash存储器片选线，低有效；

WR# MX9691 向外部存储器写，低有效；

RD# MX9691 从外部存储器读，低有效；

WRFLASH# Flash存储器写允许，低电平有效，信号有效时MX9691向Flash存储器写数据；

RDFLASH# Flash存储器输出允许，低电平有效，信号有效时MX9691从Flash存储器读数据；

HA[10:0] 地址线（与IDE接口），具有内部上拉电阻；

REG# 存储器和I/O端口选择，低电平有效，DMA状态下与IOR#或IOW#配合完成MX9691与CPU之间的数据交换；

IOW# I/O写（与IDE接口），具有内部上拉电阻；

IOR# I/O读（与IDE接口），具有内部上拉电阻。

由工作原理框图可以看出，MX9691可以看作是普通硬盘中的驱动控制器，它是CPU与Flash存储器进行数据交换的控制通道。数据交换不仅可以采用程序控制方式和中断控制方式，还可以采用直接存储器存取方式（DMA）。在DMA方式下，MX9发91内部的DMA控制器利用数据缓冲区可以IDE适配器直接进行数据高速交换。因为采用周期窃取技术（cycle stealing），使得数据传送工作对系统总线具有较高的使用权。因为采用高速的MX93011 DSP内核（21Mips），进行主机到缓冲区的突发数据传送时速率可以达到20MB/s。同时，MX9691还支持PIO模式4（16.6MB/s）和DMA模式2（16.6MB/s）。

3.2 对Flash存储器的读写时序

硬盘控制器在与Flash存储器进行数据通信操作时，数据已被放入内存中，MX9691首先把内存的数据读入内部高速缓存中，然后通过识别接收的指令类型和查询FAT得到要寻址的Flash存储器的编号。在对Flash存储器进行写操作前，先把要写入的信息依次到数据总线上，经过Tw(a-ce)的时间，待数据（包括指令、地址和数据）稳定后，通过对要寻址的Flash存储器编号的解码，从端口$601FH输出FCE片选信号选中相应的Flash芯片。在WR#和WRELASH#同时有效时，数据被写入相应的Flash存储单元中。选操作与此类似。Flash存储器读写时序如图3所和图4所示。

MX28F2100T为程序存贮器，它通过标准ATA接口经编译的可执行文件可以对它直接在线编程。74F245和74F244为总线驱动器，在所选Flash存储器较多时可以提高总线驱动能力。

采用MX9691作为Flash硬盘的驱动控制器有很多优点。MX9691为旺宏公司生产的专用硬盘驱动控制芯片，优化功能强大，没有冗余模块且封装紧凑，便于进一步小型化和降低功力量。MX9691与三星公司的Flash存储芯片兼容性好，不需再增加其它电路，因此可靠性高。旺宏公司在MX9691有强大的软件支持，很多固件可以直接购买。因为MX9691支持在线编程，升级和维护非常简单。另外，为用于手持和车载系统，MX9691为低功耗设计。它3种节电模式载系统，MX9691为低功耗设计。它有3种节电模式：idle、standby和sleep。MX9691可以通过查询自己的工作状态，自动进入相应的节电模式，因此功耗很低。

该Flash硬盘已可靠运行了半年多，并且与Winodows CE的兼容性也较好。体积小、重量轻、抗震性好，并且功耗很低。随着快闪技术的进一步发展，大容量的Flash存储器将被广泛地应用于个人数据助理（PDA）、电子游戏机、数字相、自动化信息及导航系统中。