《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于單片機的Microdrive接口設(shè)計
趙 巍
廣州暨南大學(xué)電子工程系(510632)
摘要: 介紹了IBM的Microdrive的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,詳細(xì)說明了Microdrive接口設(shè)計的軟硬件關(guān)鍵技術(shù)。同時以AT89C52型單片機為基礎(chǔ),設(shè)計完成了Microdrive的接口電路,實現(xiàn)了對Microdriver的數(shù)據(jù)訪問及管理功能。
關(guān)鍵詞: PowerPC Microdrive AT89C52
Abstract:
Key words :

摘 要: 介紹了IBM的Microdrive的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,詳細(xì)說明了Microdrive接口設(shè)計的軟硬件關(guān)鍵技術(shù)。同時以AT89C52型單片機為基礎(chǔ),設(shè)計完成了Microdrive的接口電路,實現(xiàn)了對Microdriver的數(shù)據(jù)訪問及管理功能。
關(guān)鍵詞: Microdrive  AT89C52

  隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,存儲技術(shù)正向著大容量、低功耗、小型化的方向發(fā)展。尤其是近年來,各種大容量的小型存儲器不斷涌現(xiàn),在便攜式設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。目前常見的存儲卡類型有:Smart Media Card、MemoryStick、MultiMedia Card、CompactFlash Type I Card、IBM 的Microdrive等,各存儲卡在容量、功耗、體積上各有特色,但IBM的Microdrive尤為出色。
  Microdrive 是由IBM日本分公司研發(fā)生產(chǎn)的產(chǎn)品。它的接口符合CFA(CompactFlash Association)協(xié)會所制定的CF+TypeⅡ規(guī)范,具有容量大(170MB~3GB)、體積小(42.8 mm×36.4mm×5.0mm)、耗電量小等特點,已在數(shù)碼相機、筆記本電腦、掌上電腦、便攜式音樂播放器等設(shè)備的存儲領(lǐng)域中得到了較廣泛的應(yīng)用??梢灶A(yù)見,在各種智能設(shè)備小型化的趨勢中,在大容量便攜式數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)倪^程中,Microdrive 有著非常廣泛的應(yīng)用前景,將會為各種便攜式產(chǎn)品帶來高容量、高品質(zhì)且價格合理的數(shù)據(jù)存儲能力。
  雖然目前市面上已有多家國內(nèi)外公司(其中有IBM公司)生產(chǎn)出操作Microdrive的接口,但其價格居高不下,這對于需要將此類便攜式大容量存儲器直接嵌入到其便攜設(shè)備的廠商來說,將會大大提高產(chǎn)品的成本。為降低生產(chǎn)廠商的成本,實現(xiàn)對Microdrive的數(shù)據(jù)訪問和管理功能。本文給出了一種基于單片機的Microdrive接口設(shè)計。
1  Microdrive簡介
   Microdrive性能參數(shù)如下:
      容量:1 000MB/512MB/340MB;緩沖區(qū)大?。?28B;扇區(qū)大小:512B;盤片數(shù)量:1;平均尋道時間:12ms;平均等待時間:8.33ms;最大內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速率:59.9MBps;最大外部數(shù)據(jù)傳輸速率:13.3MBps;接口:CF+(兼容ATA和PCMCIA);數(shù)據(jù)密度:15.2GB/英寸;大?。?mm×43mm×35mm;重量:17g;磁盤旋轉(zhuǎn)速度:3 600rpm。
  Microdrive的主要特點:
  體積小,總量輕,容量大;可靠性高,有效的數(shù)據(jù)保護及數(shù)據(jù)編碼技術(shù),使得其出錯率極低;讀寫速度快,連續(xù)讀寫速率最高可達(dá)到4.2MBps,抗沖擊(1 500g),耐振動(5g);兼容性好,支持3.3V或5V工作電壓,具有廣闊的使用范圍。
2  Microdrive硬件接口設(shè)計
2.1 Microdrive接口簡介及訪問模式的選擇
  Microdrive接口符合CF+TypeⅡ標(biāo)準(zhǔn),支持3.3V或5V直流工作電壓,提供了完整的PCMCIA-ATA功能且通過ATA/ATAPI-4兼容TrueIDE。但與68針接口的PCMCIA卡不同的是,Microdrive接口只有50針,采用50腳雙列0.05英寸間距標(biāo)準(zhǔn)接口。其管腳排列如表1所示。

  Microdrive的數(shù)據(jù)都是以512B的扇區(qū)單元進行操作,能夠通過IDE和Memory等模式對其進行訪問。
雖然IDE模式被廣泛地應(yīng)用在計算機硬盤接口,但也經(jīng)常被應(yīng)用于內(nèi)嵌式的系統(tǒng)中,得到絕大多數(shù)的BIOS和工業(yè)單板機的支持。然而,IDE模式需要涉及到復(fù)雜的文件管理,使得控制操作相對復(fù)雜,不符合簡單可行的設(shè)計要求。
  由于本系統(tǒng)由單片機實現(xiàn)嵌入式設(shè)計,且Memory模式是Microdrive的默認(rèn)模式,該模式可以避免繁瑣的寄存器設(shè)置,同時支持8位的數(shù)據(jù)帶寬,控制操作也相對簡單,可以極大地簡化設(shè)計和節(jié)省系統(tǒng)的資源,故本系統(tǒng)采用Memory模式。
2.2 硬件接口
  系統(tǒng)的電路連接框圖如圖1所示,主要包含以下5個部分。

  (1)AT89C52。AT89C52擁有比8051多1倍的數(shù)據(jù)存儲器(256 B的RAM),有8KB的內(nèi)部ROM,操作命令以及各引腳都與8051基本一致。在本系統(tǒng)中,AT89C52的作用是至關(guān)重要的,它擔(dān)負(fù)著與外部的通信及實現(xiàn)對Microdrive的各種操作。
  (2)外部數(shù)據(jù)存儲器。該存儲器主要用作硬盤數(shù)據(jù)讀寫的緩存,因而必須具有非易失性、簡便的操作及合適的容量。62HC64容量為8K×8位,具有非易失性及功耗低等特點。
  (3)通信電平轉(zhuǎn)換芯片。RS-232C是目前異步串行通信中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線,適用于數(shù)據(jù)中斷設(shè)備(DTE)和數(shù)據(jù)通信設(shè)備(DCE)之間的接口,而單片機使用TTL電平,二者互不兼容,因而使用了MAX-232電平轉(zhuǎn)換芯片對它們之間的通信電平進行轉(zhuǎn)換,作為對外的通信接口。
  (4)CF+適配口。使用了標(biāo)準(zhǔn)的50針CF+適配口。
  (5)地址鎖存器74LS373和地址譯碼器74LS138。
  系統(tǒng)的主要連線(見圖1和表1)敘述如下。
  其中:Address/Data(0~7)為復(fù)用的8位數(shù)據(jù)或低8位地址總線。Address(8~12)為用于尋址62HC64的高5位地址線,Address(13~15)接至74LS138,用作外部數(shù)據(jù)存儲器62HC64及Microdrive的片選信號; RESET信號則和AT89C52的RESET腳連接,以達(dá)到同步復(fù)位的目的。上電復(fù)位后,Microdrive自動進入默認(rèn)的Memory模式;-REG (Register)信號用于選擇訪問,判斷是Microdrive的Attiribute Memory(低電平)還是Common Memory(高電平);對于-CE1和-CE2(Card Enable),因為只有1塊Microdrive,故將-CE2接高電平,-CE1接74LS138的Y7腳;-OE、-WE為讀寫有效信號,與AT89C52的P3.7(-RD)和P3.6(-WR)相連;RDY/-BSY(Ready/Busy)是Microdrive的閑忙狀態(tài)信號,當(dāng)Microdrive忙時,該腳為低電平,不能對Microdrive做任何的操作,若與AT89C52的P3.2相連,可通過軟件檢測此位,判定Microdrive的閑忙狀態(tài);WAIT信號的有效意味著一個操作進程正在完成過程中,把它與P1.7相連,以便檢測;CD1、CD2(Card Detect)用于Microdrive的存在檢測,與AT89C52的P3.2、P3.3相連;AT89C52的P3.0(RXD)用作串行通信輸入,若接MAX232的12腳(R1OUT),則用于接收通過MAX232送來的數(shù)據(jù);AT89C52的P3.1(TXD)用作串行通信輸出,接MAX232的11腳(T1IN),通過MAX232送出數(shù)據(jù)。
3  軟件設(shè)計
3.1 主要寄存器簡介
  Microdrive內(nèi)的幾個涉及到操作的寄存器如表2所示。

  以下介紹如表3所示的狀態(tài)寄存器其中幾個狀態(tài)標(biāo)志位,這些標(biāo)志位在讀寫等操作中極為重要。

  bit 7(BUSY):當(dāng)Microdrive處于忙狀態(tài)時(如正在讀寫寄存器或存儲扇區(qū)),則置該位為1。
  bit 6(RDY):當(dāng)Microdrive準(zhǔn)備好,可以執(zhí)行各種操作時,置該位為1。
  bit 3(DRQ):當(dāng)Microdrive需要將數(shù)據(jù)讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)存儲器時,置該位為1。
  bit 0(ERR):當(dāng)在執(zhí)行各種操作過程中出現(xiàn)錯誤時,置該位為1。
3.2 軟件設(shè)計
  硬件設(shè)計好后,就可以通過軟件來驅(qū)動接口電路,去讀寫Microdrive。首先進行測試以確定所有的端口及信號極性的正確性。由于Memory模式是缺省的模式,故使用前的檢測很簡單,主要把軟件分成以下部分進行檢測。
  (1)檢測Microdrive。首先,確定Microdrive是否已正確插入插槽。這需要檢測Card Detect引腳,即將P3.2、P3.3的狀態(tài)讀入,如果2個都為0,就表示Microdrive已正確插入適配口;否則表明未正確插入,需要重新插入。其次,在確定Microdrive已正確插入后,開始檢測其狀態(tài)。從Common Memory的偏移地址為007H的狀態(tài)寄存器中讀取Microdrive的狀態(tài)信號,如果Microdrive被正確地復(fù)位,則讀得的數(shù)據(jù)應(yīng)該是50H,這意味著Microdrive已能使用并準(zhǔn)備接收命令;否則有錯誤,應(yīng)重新復(fù)位。最后,當(dāng)Microdrive的狀態(tài)證實無誤并處于Memory模式時,就可以發(fā)送診斷命令字(Execute Diagnostics:90H)到命令寄存器(偏移地址為007H)中,這一命令將會根據(jù)Microdrive的當(dāng)前情況重置狀態(tài)寄存器007H(與命令寄存器的地址相同)。當(dāng)出錯時,出錯位將會被置1,此時會檢查錯誤狀態(tài)寄存器(偏移地址為001H)而且將會得到詳盡的出錯信息;若無錯誤,則對Microdrive進行操作。
  (2)數(shù)據(jù)的讀取。首先將要操作的扇區(qū)地址寫入偏移地址為003H~006H的邏輯塊尋址寄存器;然后再將要操作的扇區(qū)數(shù)目寫入偏移地址為002H的扇區(qū)數(shù)目寄存器;接著發(fā)送讀命令字(20H)到命令寄存器。當(dāng)寫入命令后,Microdrive會將BUSY狀態(tài)置1作為響應(yīng)。然后Microdrive從存儲扇區(qū)中讀出數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)寄存器,并將DRQ狀態(tài)位置1,清BUSY以表示數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好。這樣只需要檢查DRQ狀態(tài)就可以了。當(dāng)DRQ為1時,便可從Microdrive的數(shù)據(jù)寄存器中讀出數(shù)據(jù),所有數(shù)據(jù)讀完后,DRQ將會被清0,Microdrive重新回到準(zhǔn)備狀態(tài)執(zhí)行下一次操作。
  (3)數(shù)據(jù)的寫入。與讀數(shù)據(jù)的操作類似,首先將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備在數(shù)據(jù)緩存區(qū)(外部RAM62HC64);然后將要操作的扇區(qū)地址寫入偏移地址為003H~006H的邏輯塊尋址寄存器,并將要操作的扇區(qū)數(shù)目寫入偏移地址為002H的扇區(qū)數(shù)目寄存器;接著發(fā)送寫命令字(30H)到命令寄存器;最后,檢測DRQ的狀態(tài)(此時Microdrive置BUSY狀態(tài)為1,接著置DRQ為1,清BUSY)。當(dāng)檢測到DRQ為1時,便可將數(shù)據(jù)緩存區(qū)(外部RAM62HC64)中的數(shù)據(jù)寫入Microdrive的數(shù)據(jù)寄存器(偏移地址為000H)。當(dāng)Microdrive檢測到數(shù)據(jù)寫入其數(shù)據(jù)寄存器后,就會置BUSY為1,清DRQ并根據(jù)地址將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)寫入存儲扇區(qū)。一旦數(shù)據(jù)全部寫完,再清BUSY狀態(tài)位,重新回到準(zhǔn)備狀態(tài)準(zhǔn)備執(zhí)行下一次操作。
  可見,在讀寫操作中,對進程起控制作用的關(guān)鍵就是DRQ這一狀態(tài)位,其檢測程序如下:
  void wait_drq(void)
  {  unsigned int a;
     a=XBYTE[0xE007];    //讀取狀態(tài)寄存器的值
     if((a&0x01)= =1)  error( ); //若出錯位為1,轉(zhuǎn)出錯處理
     while((a&0xf8)!=0x58)
        a=XBYTE[0xE007];    //查詢DRQ位,不為1則循環(huán)等待
  }
  (4)數(shù)據(jù)的擦除。首先將要操作的扇區(qū)地址寫入偏移地址為003H~006H的邏輯塊尋址寄存器;然后再將要操作的扇區(qū)數(shù)目寫入偏移地址為002H的扇區(qū)數(shù)目寄存器;接著發(fā)送擦除命令字(0C0H)到命令寄存器。執(zhí)行完擦除命令后,讀出的值全為0。
3.3 單片機軟件設(shè)計流程
  單片機軟件設(shè)計的主要流程如圖2所示。

  本文所介紹的基于單片機的Microdrive接口設(shè)計,成功實現(xiàn)了操作Microdrive的常用命令,正確實現(xiàn)了對Microdrive的8位格式的操作。經(jīng)測試,此接口也可以對CF Type I卡(如SanDisk公司的CompactFlash卡)進行正確的操作,從而提高了應(yīng)用系統(tǒng)的兼容性。該接口電路具有較廣泛的應(yīng)用價值,可應(yīng)用于各種需要使用Microdrive或CompactFlash卡作為存儲器的便攜式電子設(shè)備中,目前正準(zhǔn)備將其應(yīng)用于便攜式的動態(tài)腦電及動態(tài)心電儀器中。
參考文獻
1   CompactFlash Association.CF+ and CompactFlash Specification Revision 1.4.1999
2   International Business Machines Corporation.Using the IBM Microdrive For the First Time.2001
3   International Business Machines Corporation.Need More Storage Embed an IBM 170MB or 340MB Microdrive.2001
 

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