《電子技術(shù)應(yīng)用》
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用SD卡設(shè)計8086全硅計算機的硬盤
吳 斌1,李翔宇1,時丙才1,李 垚1,高明倫2
1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 微電子研究室,安徽 合肥 230026;2.合肥工業(yè)大學(xué) 微電子設(shè)計研究所,安
摘要: 介紹了8086全硅計算機的體系架構(gòu), 設(shè)計了8086全硅計算機與SD卡連接的硬件接口,并使用軟件和硬件相結(jié)合的調(diào)試方法,可快速調(diào)試驗證SD卡的功能。通過FPGA的驗證,SD卡作為8086全硅計算機的硬盤,可以簡化設(shè)計過程、縮短設(shè)計周期。
Abstract:
Key words :

摘  要: 介紹了8086全硅計算機的體系架構(gòu), 設(shè)計了8086全硅計算機SD卡連接的硬件接口,并使用軟件和硬件相結(jié)合的調(diào)試方法,可快速調(diào)試驗證SD卡的功能。通過FPGA的驗證,SD卡作為8086全硅計算機的硬盤,可以簡化設(shè)計過程、縮短設(shè)計周期。
關(guān)鍵詞: APB總線;SD卡;全硅計算機;固態(tài)硬盤

    全硅計算機CoC(Computer-on-a-Chip)將傳統(tǒng)PC機主板上的CPU、芯片組、內(nèi)存、顯卡、聲卡和網(wǎng)卡等芯片最大限度地集成到單個芯片中。8086 CoC集成了Intel
8086 CPU[1]全硅計算機,而由于8086 CoC高度集成性,傳統(tǒng)的機械硬盤已不適合。采用嵌入式的存儲設(shè)備,例如固態(tài)硬盤(Solid-State Disk)利用Flash芯片作為存儲介質(zhì),符合ATA[2]/SATA/SCSI等接口傳輸協(xié)議。固態(tài)硬盤設(shè)計最大的障礙就是設(shè)計過程復(fù)雜,用閃存(Flash Memory)芯片作為核心存儲介質(zhì)的固態(tài)硬盤需要設(shè)計復(fù)雜的控制器[3]。為了簡化設(shè)計的復(fù)雜性又兼顧固態(tài)硬盤的優(yōu)點,本設(shè)計采用SD卡(Secure Digital Card)作為8086 CoC的硬盤。因為SD卡是基于閃存的存儲卡,具有固態(tài)硬盤的特性,安全性高、容量大、性能佳、環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點。采用SD卡作為8086 CoC的硬盤可避免設(shè)計復(fù)雜的硬盤控制器。
1 硬件設(shè)計
    8086 CoC系統(tǒng)采用AMBA雙總線結(jié)構(gòu),高速設(shè)備如內(nèi)存(SDRAM)、顯卡(VGA)等通過AHB總線與CPU進行數(shù)據(jù)交換,而低速設(shè)備則經(jīng)由APB總線(Advanced Peripheral Bus)與CPU通信。SD卡作為8086 CoC的硬盤屬于低速I/O,因此SD卡是掛接在APB總線上。SD卡接口可以插入SD卡作為類似硬盤的大容量存儲設(shè)備使用,CPU通過APB總線對SD卡的數(shù)據(jù)進行操作。APB總線與SD卡連接的轉(zhuǎn)換接口是本文硬件設(shè)計的重點,8086 CoC體系架構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 APB接口簡介
    APB總線是AMBA總線的外圍總線,有關(guān)于APB總線協(xié)議可以參照AMBATM Specification(Rev2.0)。SD卡作為I/O掛接在APB的從主機口上,CPU要對I/O設(shè)備訪問,必須對I/O設(shè)備分配地址,本設(shè)計為SD卡分配的地址(只要與其他端口不沖突,地址可任選)是100H和101H(H為16進制)分別為SD卡的數(shù)據(jù)端口與片選端口。CPU對SD卡進行訪問時,CPU地址總線傳送APB總線的地址為100H或101H。此時,APB總線通過自身內(nèi)部的譯碼器使對應(yīng)的從主機口有效,對應(yīng)的從機設(shè)備被選中、SD卡I/O設(shè)備也被選中時,SD卡就可以與主機進行數(shù)據(jù)通信。
1.2 SD卡接口簡介
    SD卡的工作模式分別是SD模式和SPI模式[4],本設(shè)計采用SPI模式。SD卡的SPI模式設(shè)備使用SD卡協(xié)議的子協(xié)議和部分指令。SPI模式的優(yōu)勢在于可以使用標準主機,從而把外設(shè)減少到最低。表1所示為采用SPI模式下的SD卡的端口定義。


    SPI模式是串行數(shù)據(jù)傳輸,而SD卡是掛接在APB的從口上的I/O設(shè)備,APB是并行數(shù)據(jù),要使APB數(shù)據(jù)與SD卡的數(shù)據(jù)匹配,必須對APB數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換為符合SPI模式下的數(shù)據(jù)格式。
1.3 SD卡轉(zhuǎn)換接口的設(shè)計
    主機通過APB總線發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)是1個字節(jié)(8位)的并行數(shù)據(jù),而SD卡發(fā)送給主機設(shè)備的是串行數(shù)據(jù),1個字節(jié)(8位)為1個數(shù)據(jù)單位。SD卡每次發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)是以SCLK為采樣時鐘,每次上升沿為1次采樣數(shù)據(jù),因此1次完整的數(shù)據(jù)采樣需要8個SCLK時鐘周期。SD卡被訪問期間的片選信號CS一直要保持為有效低電平。SD卡轉(zhuǎn)換接口的設(shè)計關(guān)鍵是:(1)APB總線的并行數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)換成符合SPI協(xié)議規(guī)范的串行數(shù)據(jù);(2)SD卡發(fā)送的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成APB總線能夠接收的并行數(shù)據(jù);(3)產(chǎn)生正確采樣時鐘信號SCLK和片選信號CS。圖2所示為SD卡轉(zhuǎn)換接口模塊的框圖。

    片選信號由APB數(shù)據(jù)線的高位控制:當APB總線的高位輸出為低電平時,SS信號為低電平,SD卡被選中;當APB總線的高位輸出為高電平時,SS信號為高電平,SD卡不被選中。APB總線的高位數(shù)據(jù)產(chǎn)生是通過軟件編程實現(xiàn)。并串轉(zhuǎn)換器作用是:首先將APB總線輸出并行數(shù)據(jù)存儲到一組移位寄存器,然后移位寄存器的數(shù)據(jù)被移位成串行數(shù)據(jù),串行轉(zhuǎn)換器就是并串轉(zhuǎn)換器反過程。采樣時鐘發(fā)生器作用是:采樣時鐘的上升沿應(yīng)在每一位串行數(shù)據(jù)中央,以確保采樣時鐘能夠采樣到正確的數(shù)據(jù)。
    采用Verilog HDL硬件描述語言對SD卡轉(zhuǎn)換接口模塊進行設(shè)計,用modelsim6.1f 對該模塊在8086 CoC系統(tǒng)平臺進行仿真和調(diào)試。為了測試硬件接口,通過編寫基于8086CPU的匯編程序,使CPU執(zhí)行相應(yīng)的匯編指令對SD卡進行操作,實驗證明SD卡轉(zhuǎn)接口的數(shù)據(jù)端口信號的仿真波形滿足SPI協(xié)議規(guī)范。
2 SD卡的軟件編程及功能調(diào)試
    SD卡的配置、讀寫和擦除是通過主機給SD卡發(fā)送相應(yīng)的執(zhí)行命令,主機給SD卡發(fā)送命令通過軟件控制來實現(xiàn)。SD卡的所有命令都有固定的格式,由6個字節(jié)組成:起始位、傳輸位、命令索引、參數(shù)、CRC和結(jié)束位。表2所示為SD卡的命令格式。復(fù)位命令CMD0:起始位為0、傳輸位為1、命令索引為0、CRC為固定值1001010、結(jié)束位為1。即CMD0的格式為40H00H00H00H00H95H(H為16進制)。


2.1 SD卡的初始化
    本文設(shè)計了APB總線的SD卡硬件轉(zhuǎn)換接口,通過BIOS軟件編程實現(xiàn)訪問SD卡軟件。用軟件控制的方式給SD卡發(fā)送命令,使SD卡完成初始化。SD卡初始化有2個目的:使SD卡工作于SPI接口模式、設(shè)置單塊讀寫的數(shù)據(jù)長度。SD卡上電復(fù)位后處于SD總線模式,要使SD卡進入SPI接口模式,需要在片選信號CS為低電平時發(fā)送命令CMD0。由于SD卡在收到CMD0前處于SD總線模式,因此CMD0是唯一需要正確冗余校驗的命令。發(fā)送CMD0命令后,接收Rl回應(yīng),判斷SD卡是否正確接收命令。
    CMD0命令使SD卡進入休眠狀態(tài),需要發(fā)送CMDl激活SD卡的初始化過程,隨后接收Rl回應(yīng),判斷SD卡是否正確脫離休眠狀態(tài)。
    為了實現(xiàn)對SD卡的讀寫操作,必須設(shè)定讀寫塊的大小。SD卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)是按照每塊512字節(jié)組成的,可以對1塊或者是多塊進行讀寫,為了和8086CoC的硬盤結(jié)構(gòu)一致,設(shè)定為單塊讀寫。給出內(nèi)嵌在BIOS當中初始化的(基于Emu8086)匯編程序。
    ……
    // Initialize the SD card controller
       mov  al, 0ffh
       mov  dx, 0100h  ;選中SD卡接口
       mov  cx, 0ah    ;計數(shù)10次
    hd_post_init80:   ;循環(huán)10次給SD卡80個sclk, SD卡上電的過程至少要74個時鐘周期
       out  dx, al
       loop hd_post_init80
    // CMD0: reset the SD card
       mov  ax,40h ;命令CMD0,ax寄存器高位為0,所以CS=0,SD卡片選有效
       out  dx, ax
       xor  al, al   ;寄存器清0
       out  dx, al   ;發(fā)送CMD0其他位
       out  dx, al
       out  dx, al
       out  dx, al
       mov  al, 95h  ;
       out  dx, al     ; CRC fixed value
       mov  al, 0ffh                       
       out  dx, al     ; wait
       in   al, dx     ; status
       mov  cl, al
       mov  ax, 0ffffh
       out  dx, ax     ; CS=1
       cmp  cl, 01h  ;判斷響應(yīng)是否為01h
       je   hd_post_cmd1  ;響應(yīng)正確則發(fā)送CMD1,激活SD卡。
    ……
    當SD卡初始化完成以后,就可以對SD卡進行讀寫操作。讀SD卡的命令是CMD17;寫SD卡的命令是CMD24。這2個命令都帶有參數(shù),參數(shù)是第8~39,共32位,參數(shù)表示的必須是SD卡扇區(qū)的首地址,讀寫SD卡以1個扇區(qū)512字節(jié)為數(shù)據(jù)單位(與硬盤相同)。
2.2 SD卡的調(diào)試
    采用SD卡作為8086 CoC的硬盤,而沒有采用固態(tài)硬盤,就是為簡化設(shè)計,避開設(shè)計復(fù)雜固態(tài)硬盤控制器。但用SD卡作為8086 CoC系統(tǒng)的硬盤,調(diào)試是實驗難點。因為SD卡是復(fù)雜存儲器,有自己的命令集,要找到SD卡的仿真模型幾乎不可能,而通過Verilog HDL硬件描述語言對SD卡的功能建立模型進行SD卡功能仿真,其復(fù)雜性將會更大。為了簡化設(shè)計,不采用通過SD卡模型在Modelsim中進行仿真,而是把設(shè)計直接綜合到FPGA板上進行板級仿真。根據(jù)實驗已有的條件,AlteraDE2開發(fā)板核心器件是Cyclone II系列的EP2C35F672C6[5]FPGA。用Quartus II將綜合8086 CoC生成的SOF文件通過JTAG電纜下載到DE2開發(fā)板上,把SD卡插入DE2開發(fā)板的SD卡插槽,進行SD卡的調(diào)試。
    為了測試SD卡能否接收到主機的數(shù)據(jù),有效辦法是檢測SD卡對每條命令是否響應(yīng),達到命令響應(yīng)將SD卡接口信號輸出到邏輯分析儀進行觀察的目的。但邏輯分析儀在使用觀察響應(yīng)波形需要一些觸發(fā)條件(其觀察數(shù)據(jù)深度是有限的),而SD卡接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)是串行數(shù)據(jù),因此要看到所有信號完整的波形是不可能的。為了解決這個問題,可采用軟硬件相結(jié)合的調(diào)試方法,即SD卡每條命令的響應(yīng)可在軟件編程設(shè)計程序斷點辦法,如初始化程序中在CMD0命令的后面加上如下斷點程序。
       mov ax,0h                     
       mov ds,ax       ;目標基地址為0  
       mov bx,0500h    ;偏移地址             
       mov al,00h       ; al寄存器寫入0,可根據(jù)需要給al不同的值        
       mov ds:[bx],al    ; 把al的值寫入地址為500h內(nèi)存單元
    這樣就可以通過主機的地址(等于500h)作為邏輯分析儀的觸發(fā)條件。在每條命令中設(shè)置這樣的斷點,通過這些設(shè)置的斷點作為邏輯分析儀的觸發(fā)條件可以觀測每條命令發(fā)送情況。
    即使沒有邏輯分析儀,也可以通過斷點程序法在某一確定內(nèi)存寫入一些特殊的值,然后同樣用Altera DE2開發(fā)板提供(DE2_contorl_panel)軟件把內(nèi)存值讀出來與寫入的值進行比較。如果內(nèi)存寫入的值與斷點程序?qū)懭氲闹迪嗤?,則證明命令得到了正確響應(yīng)。
    驗證完成SD卡初始化以后,就可以對SD卡進行讀寫。在寫SD卡調(diào)試中:設(shè)定寫命令的地址參數(shù),在參數(shù)對應(yīng)的地址單元向SD卡寫入一些特殊的值,然后通過WINHEX軟件去查看SD卡在該地址的數(shù)據(jù)是否與寫入的數(shù)據(jù)相同。在讀SD卡調(diào)試中:設(shè)定讀命令的地址參數(shù),把SD卡的某一確定地址存儲單元的數(shù)據(jù)讀取到確定內(nèi)存單元中,通過Altera DE2開發(fā)板提供軟件把該內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀出來與SD卡的原來存儲的數(shù)據(jù)進行比較。
    此調(diào)試法并不是一定要執(zhí)行,當只有SD卡不能正常讀寫時,可以用此方法進行調(diào)試,分析每條命令的執(zhí)行情況。實驗證明該方法非常有效,通過本設(shè)計提出的SD卡作為8086 CoC的硬盤設(shè)計取得了成功。圖3所示為SD卡轉(zhuǎn)換接口信號初始化過程中發(fā)送CMD0命令波形圖。

3 FPGA的驗證結(jié)果
    采用Quartus II對所設(shè)計的SD卡轉(zhuǎn)換接口在Cyclone II系列的EP2C35F672C6 FPGA進行綜合,綜合報告顯示總邏輯單元46個,總寄存器數(shù)30個,時鐘頻率高達420 MHz,綜合報告表明設(shè)計占用的邏輯資源非常少。FPGA驗證顯示把8086 CoC的BIOS軟件存入SD卡硬盤,通過SD卡作為引導(dǎo)區(qū)可啟動8086 CoC的DOS操作系統(tǒng)。
    本文以SD卡作為8086CoC的硬盤設(shè)計為例,介紹了SD卡作為大容量存儲器的設(shè)計方法。采用SD卡作為大容量存儲器可以減少設(shè)計的復(fù)雜性、縮短設(shè)計周期。并且由于SD卡的許多優(yōu)點可使得系統(tǒng)工作穩(wěn)定、提高數(shù)據(jù)存儲的安全性。雖然SD卡本身的數(shù)據(jù)傳輸速率有上限,數(shù)據(jù)的讀寫速度受到一定的限制,但這些可以通過更高讀寫速度的SD卡來解決。同時,本設(shè)計具有高可移植性,可以方便地移植到其他需要大容量存儲器的嵌入式系統(tǒng)中,只需在軟件操作系統(tǒng)嵌入關(guān)于訪問SD卡的軟件程序,無需修改已設(shè)計好的硬件電路,減少了電路設(shè)計的成本。
參考文獻    
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