Nios II与CF卡的接口设计

　　１　ＣＦ卡的特点及应用 　　

    ＣＦ卡是最近几年蓬勃发展固态非易失的存储介质，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，在大容量便携式数据存储和传输过程中，ＣＦ　有着非常广泛的应用前景，如数码相机、ＭＰ３播放器、ＰＤＡ（个人数字助理）、数字式录音机、笔记本电脑、手提电话、机顶盒等。预计今后在其他领域将有更为广泛的应用。另外ＣＦ卡的兼容性佳，不仅同时支持３．３　Ｖ和５　Ｖ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％。目前，ＣＦ卡容量从最早的２　ＭＢ到现今的８　ＧＢ，数据传输从最早的５　ＭＢ／ｓ发展到现在的２０　ＭＢ／ｓ。

ＣＦ卡由２个基本部分构成：内部控制器和闪存模块。ＣＦ卡的闪存模块基本上都使用ＮＡＮＤ型闪存，用于存储数据。内部控制器用来实现ＣＦ卡与主机的接口以及控制数据的传输。ＣＦ卡内部控制器的设计完全模拟硬盘，使用标准的ＡＴＡ／ＩＤＥ接口。

ＣＦ　的存取方式有３种：ＰＣ　Ｃａｒｄ　Ｍｅｍｏｒｙ模式、ＰＣ　Ｃａｒｄ　Ｉ／Ｏ模式以及Ｔｒｕｅ　ＩＤＥ模式。ＰＣ　Ｃａｒｄ模式与ＰＣＭＣＩＡ标准兼容。Ｔｒｕｅ　ＩＤＥ模式与ＡＴＡ标准兼容。

３种方式相比，在Ｔｒｕｅ　ＩＤＥ模式下，ＣＦ卡与主机通信的信号最少，硬件接口最简单、软件易于实现，因此本设计采用Ｔｒｕｅ　ＩＤＥ模式。

２　ＣＦ卡接口控制器的寄存器的定义 　　

在设计中，采用Ａｌｔｅｒａ提供的一个ＣＦ接口控制器内核实现ＣＦ卡数据的传输．该内核提供一个连接片外ＣＦ卡的Ａｖａｌｏｎ总线接口，通过使用适当的时序把Ａｖａｌｏｎ总线信号映射到ＣＦ卡，提供了对标准的实ＩＤＥ模式寄存器的访问，允许设计者在Ｎｉｏｓ　ＩＩ系统中简易连接就可以使用ＣＦ卡。图１所示为ＣＦ卡接口控制器内核的结构框图。 　　

图１　ＣＦ卡控制器内核结构框图 　　

该内核提供２个Ａｖａｌｏｎ总线从端口．第一个是为了访问ＣＦ设备内部的寄存器组，第二个是为了访问控制器内核内部的寄存器文件，ＣＦ核提供２个高有效的中断请求输出，一个是ＣＦ插入或移除的中断信号，另一个是把设备上的中断信号传送到Ａｖａｌｏｎ主设备。

对于ＣＦ卡的操作（如：读／写），其实就是对ＣＦ卡控制器的寄存器进行操作。所以，必须对ＣＦ卡的寄存器十分熟悉。这些寄存器统称为任务文件（ｔａｓｋ　ｆｉｌｅ）寄存器： 　　

（１）数据寄存器（读／写），用于ＣＦ卡的读写操作。主机通过该寄存器向ＣＦ卡数据缓冲写入或从ＣＦ卡数据缓冲读出数据。

（２）错误寄存器（读）和特性寄存器（写）　读操作时，此寄存器为错误寄存器，用于指明错误的原因；写操作时，此寄存器为特性寄存器。

（３）扇区数寄存器（读／写）。用来记录读、写扇区的数目。

（４）扇区号寄存器（读／写），用来记录读、写和校验命令指定的起始扇区号或逻辑块地址（ＬＢＡ）的ＢＩＴ７：０。

（５）柱面号寄存器（读／写），用来记录读、写、校验和寻址命令指定的柱面号或ＬＢＡ的ＢＩＴ２３：８。

（６）驱动器／磁头寄存器（读／写），记录读、写、校验和寻道命令指定的驱动器号、磁头号或ＬＢＡ的ＢＩＴ２７：２４，其中ＢＩＴ６（ＬＢＡ）用来设置ＣＦ卡扇区的寻址方式（ＬＢＡ＝０，采用ＣＨＳ模式；ＬＢＡ＝１。采用ＬＢＡ模式）。

（７）状态寄存器（读）和命令寄存器（写），在读操作时，该寄存器是状态寄存器，指示ＣＦ卡控制器执行命令后的状态，读状态寄存器则返回ＣＦ卡的当前状态；在写操作时，该寄存器是命令寄存器，接收主机发送给ＣＦ卡的控制命令。

３　Ｎｉｏｓ　ＩＩ处理器与ＣＦ卡的硬件接口设计 　　

在Ａｌｔｅｒａ公司提供的ＳｏＰＣ软件中对该软核进行配置时，选用Ｎｉｏｓ　ＩＩ　ＣＰＵ、内部定时器、ＣＦ卡接口控制器、ＳＤＲＡＭ　控制器、ＦＬＡＳＨ　存储器接口、ＬＣＤ　接口和ＥＰＣＳ４串行配置器件控制器接口。其框图如图２所示。 　

　图２　硬件接口框图 　　

４　ＣＦ卡的接口控制器的软件操作 　　

在Ｎｉｏｓ　ＩＩ系统中，应用软件架构在ＨＡＬ（硬件抽象层）和Ｃ标准库函数上。在Ｎｉｏｓ　ＩＩ　ＩＤＥ　中建立新的软件工程时，ＩＤＥ会根据ＳｏＰＣ　Ｂｕｉｌｄｅｒ对系统的硬件配置自动生成一个定制ＨＡＬ系统库。这个库能为程序和底层硬件的通信提供接口驱动程序，ＨＡＬ系统库为ＣＦ卡接口控制器内核提供了两组直接访问设备寄存器的ＡＰＩ函数，其中一个是针对ＩＤＥ任务文件（ＡＴＡ）寄存器的，主要提供了对标准的实ＩＤＥ模式寄存器的访问设，另一个是针对ＣＦ接口控制寄存器的，主要提供了对电源，复位，插入或移除检测和中断的控制。设计者只需要调用这些函数就可以访问外部设备。

由于ＣＦ卡的读写是以一个扇区为基本单位的。在读写一个扇区之前必须先指明当前需要读写的柱面、头和扇区或ＬＢＡ地址，然后发送读写命令。一个扇区的５１２　Ｂ需要一次性连续读出或写入。主机读／写ＣＦ卡上一个文件的过程是这样的： 　　

（１）ＣＦ卡检测。调用： 　　ＩＯＲＤ＿ＡＬＴＥＲＡ＿ＡＶＡＬＯＮ＿ＣＦ＿ＣＴＬ＿ＳＴＡＴＵＳ（ＣＦ＿ＣＴＩ＿ＢＡＳＥ）。

（２）ＣＦ卡内部控制器向ＣＦ卡某些寄存器填写必要的信息。如向扇区号寄存器填写读写数据的起始扇区号或Ｉ．ＢＡ地址、向扇区数寄存器填写读写数据所占的扇区个数、设置ＣＦ卡的扇区寻址方式等。调用： 　　ＩＯＷＲ＿ＡＬＴＥＲＡ＿ＡＶＡＬＯＮ＿ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＳＥＣＴＯＲ＿ＣＯＵＮＴ（ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＢＡＳＥ，Ｓｅｃｔｏｒ＿ｃｕｎｔ）； 　　ＩＯＷＲ＿ＡＬＴＥＲＡ＿ＡＶＡＬＯＮ＿ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＳＥＣＴＯＲ＿ＮＵＭＢＥＲ（ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＢＡＳＥ，Ｓｅｃｔｏｒ＿ｎｕｍ）； 　　ＩＯＷＲ＿ＡＬＴＥＲＡ＿ＡＶＡＬＯＮ＿ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＣＹＬＩＮＤＥＲ＿ＬＯＷ（ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＢＡＳＥ，０ｘ００）； 　　ＩＯＷＲ＿ＡＬＴＥＲＡ＿ＡＶＡＬＯＮ＿ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＣＹＬＩＮＤＥＲ＿ＨＩＧＨ（ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＢＡＳＥ，０ｘ００）； 　　ＩＯＷＲ＿ＡＬＴＥＲＡ＿ＡＶＡＬＯＮ＿ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＤＥＶＩＣＥ＿ＨＥＡＤ（ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＢＡＳＥ，０ｘｅ０）。

（３）向ＣＦ卡的命令寄存器写入操作ＣＦ卡的命令。如写操作向ＣＦ卡的命令寄存器写入３０Ｈ，读操作向ＣＦ卡的命令寄存器写入２０Ｈ。调用： 　　ＩＯＷＲ＿ＡＬＴＥＲＡ＿ＡＶＡＬＯＮ＿ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＣＯＭＭＡＮＤ（ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＢＡＳＥ，０ｘ３０）； 　　ＩＯＷＲ＿ＡＬＴＥＲＡ＿ＡＶＡＬＯＮ＿ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＣＯＭＭＡＮＤ（ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＢＡＳＥ，０ｘ２０）。

（４）ＣＦ卡有数据传输请求之后，主机读写ＣＦ卡的数据寄存器，从而实现从ＣＦ卡数据缓冲读出数据或向ＣＦ卡数据缓冲写入数据。调用： 　　ＩＯＲＤ＿ＡＬＴＥＲＡ＿ＡＶＡｌＯＮ＿ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＤＡＴＡ　（ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＢＡＳＥ）； 　　ＩＯＷＲ＿ＡＬＴＥＲＡ＿ＡＶＡＬＯＮ＿ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＤＡＴＡ（ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＢＡＳＥ，Ｄａｔａ＿Ｗｒｉｔｅ）。

（５）在执行以上操作的过程中，每执行一步。都应该检测状态寄存器，确定ＣＦ卡的当前状态，从而确定下一步应该执行什么操作（参考状态寄存器的ＢＩＴ位的意义，编写检测代码）。调用： 　　ＩＯＲＤ＿ＡＬＴＥＲＡ＿ＡＶＡＬＯＮ＿ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＳＴＡＴＵＳ（ＣＦ＿ＩＤＥ＿ＢＡＳＥ）。

由于ＣＦ卡由ＡＴＡ控制器和ＦＬＡＳＨ存储器２部分构成，处理器访问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，势必会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，那么在近期他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。在Ｎｉｏｓ　ＩＩ硬件系统设计中，添加了片上的存储空间，用于存储最近访问过的扇区数据。另外还设置了两个全局变量：一个保存最近备份的扇区编号；另一个说明备份数据是否与ＣＦ卡中的相应数据一致，如果一致，其值为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，通过添加硬件缓冲区，满足嵌入式操作系统的实时性要求。目前，该设计已经在开发板上实现，运行稳定可靠。