Intel Xscale PXA255嵌入式處理器與CF卡的硬件接口設計

以導航設備存儲系統(tǒng)應用為例，本文討論了Intel Xscale PXA255嵌入式處理器與CF卡的硬件接口設計，并以讀寫CF卡扇區(qū)的程序為例，給出了CF卡軟件編寫的技巧。該設計為基于PXA255處理器的嵌入式系統(tǒng)提供了擴展存儲空間的一種方法。

圖1：CF卡結構框圖

??? Intel Xscale PXA255處理器是新一代的嵌入式處理器，基于ARMv5TE體系結構的微處理器，性價比較高、功耗較低，適合于數(shù)字移動電話、個人數(shù)字助理、網(wǎng)絡路由器等嵌入式系統(tǒng)的應用。在采用PXA255處理器開發(fā)諸如車載導航系統(tǒng)時，電子地圖等海量地理信息數(shù)據(jù)需要一個容量大、體積小、性能優(yōu)異的存儲器。“Compact Flash”卡，簡稱CF卡，具有高速度、大容量、體積小、重量輕、功耗低和高性價比等優(yōu)點，十分適合嵌入式系統(tǒng)的應用。因此，可選擇CF卡作為地理信息數(shù)據(jù)的存儲載體。PXA255處理器提供了PCMCIA/CF卡控制器，可以方便地實現(xiàn)PXA255處理器與CF卡的接口設計。

CF卡結構和工作原理

??? Compact Flash技術是由CF協(xié)會(CFA)提出的一種與PC機ATA接口標準兼容的技術。如圖1，CF卡由兩個基本部分構成：內(nèi)部控制器和閃存模塊。CF卡的閃存模塊基本上都使用NAND型閃存，用于存儲數(shù)據(jù)。內(nèi)部控制器用來實現(xiàn)CF卡與主機的接口以及控制數(shù)據(jù)的傳輸。CF卡內(nèi)部控制器的設計完全模擬硬盤，使用標準的ATA/IDE接口。

??? CF卡的存取方式有三種：PC Card Memory模式、PC Card I/O模式以及True IDE模式。PC Card模式與PCMCIA標準兼容。True IDE模式與ATA標準兼容。三種方式相比，在True IDE模式下，CF卡與主機通信的信號最少，硬件接口最簡單、軟件易于實現(xiàn)，因此本設計采用了True IDE模式。

??? CF卡扇區(qū)尋址有兩種方式：物理尋址方式(CHS)和邏輯尋址方式(LBA)。物理尋址方式使用柱面、磁頭和扇區(qū)號表示一個特定的扇區(qū)，起始扇區(qū)是0磁道、0磁頭、1扇區(qū)，接著是2扇區(qū)，一直到EOF扇區(qū)；接下來是同一柱面1頭、1扇區(qū)等。邏輯尋址方式將整個CF卡同一尋址。邏輯塊地址和物理地址的關系為：LBA地址=(柱面號×磁頭數(shù)+磁頭號)×扇區(qū)數(shù)+扇區(qū)數(shù)-1。

??? CF卡沒有機械結構，因此CF卡的扇區(qū)尋址適宜采用邏輯尋址方式。邏輯尋址方式?jīng)]有磁頭和磁道的轉(zhuǎn)換操作，因此在訪問連續(xù)扇區(qū)時，操作速度比物理尋址方式快得多。

??? 對于CF卡的操作(如：讀/寫)，其實就是對CF卡控制器的寄存器進行操作。所以，必須對CF卡的寄存器十分熟悉。這些寄存器統(tǒng)稱為任務文件(task file)寄存器：
1．數(shù)據(jù)寄存器(讀/寫)，用于CF卡的讀寫操作。主機通過該寄存器向CF卡數(shù)據(jù)緩沖寫入或從CF卡數(shù)據(jù)緩沖讀出數(shù)據(jù)。
2．錯誤寄存器(Read)和特性寄存器(Write)。讀操作時，此寄存器為錯誤寄存器，用于指明錯誤的原因；寫操作時，此寄存器為特性寄存器。
3．扇區(qū)數(shù)寄存器(讀/寫)，用來記錄讀、寫扇區(qū)的數(shù)目。
4．扇區(qū)號寄存器(讀/寫)，用來記錄讀、寫和校驗命令指定的起始扇區(qū)號或邏輯塊地址(LBA)的BIT7：0。
5．柱面號寄存器(讀/寫)，用來記錄讀、寫、校驗和尋址命令指定的柱面號或LBA的BIT23：8。
6．驅(qū)動器/磁頭寄存器(讀/寫)，記錄讀、寫、校驗和尋道命令指定的驅(qū)動器號、磁頭號或LBA的BIT27：24，其中BIT6(LBA)用來設置CF卡扇區(qū)的尋址方式(LBA=0，采用CHS模式；LBA=1，采用LBA模式)。

?????????????????? 圖2：CF卡地址空間存儲映像

7．狀態(tài)寄存器(讀)和命令寄存器(讀/寫)，讀操作時，該寄存器是狀態(tài)寄存器，指示CF卡控制器執(zhí)行命令后的狀態(tài)，讀狀態(tài)寄存器則返回CF卡的當前狀態(tài)；寫操作時，該寄存器是命令寄存器，接收主機發(fā)送給CF卡的控制命令。

PXA255處理器與CF卡的硬件接口設計

1. PXA255的PC Card/CF卡控制器

??? PXA255處理器PC Card/CF卡控制器可以支持一個PCMCIA卡或CF卡插槽，利用nPSKTSEL引腳可以支持第2個插槽。寄存器MECR用于向PXA255處理器的PC Card/CF卡控制器指出是否有CF卡插入，以及系統(tǒng)支持的CF卡的插槽數(shù)目。在有卡插入時，軟件必須將MECR的CIT比特位置1；所有的卡拔出時，則必須將之清零。

??? PXA255處理器PC Card/CF卡接口支持8、16位外圍設備，而且可以處理公共存儲器(Common Memory)、I/O和特性存儲器(Attribute Memory)三種方式的存取。每次訪問的時間取決于MCMEMx、MCATTx和MCIOx寄存器的設置。圖2給出了PXA255處理器16位PC Card/CF卡地址空間的存儲器映像。16位PC Card/CF卡存儲器映像空間分為8塊。每個插槽對應其中4塊，分別為公共存儲器、I/O、特性存儲器和保留空間。每個塊的大小為64M。

??? 每次訪問PC Card /CF卡對應的地址空間，PC Card/CF卡控制器將同時驅(qū)動信號SA_A25：0、nPREG和nPSKTSEL。(注：PXA255處理器的地址總線為SA_A25：0。)

??? 如果訪問公共存儲器和特性存儲器地址空間，PC Card/CF卡控制器驅(qū)動地址總線的時候，同時驅(qū)動nPCE1、nPCE2信號，并使用nPOE和nPWE信號作為讀寫控制信號。

??? 如果是訪問I/O空間，nPCE1、nPCE2的值取決于CF卡的信號輸出nIOIS16，而且在nIOIS16有效后，nPCE1、nPCE2將有效固定的一段時間。nIOIS16信號用來決定傳送的數(shù)據(jù)總線的寬度(8位或16位)：nIOIS16=1，表明當前的數(shù)據(jù)總線為8位，nPCE1有效；nIOIS16=0表明當前的數(shù)據(jù)總線為16位，nPCE1、nPCE2同時有效。PXA255使用nPCE2向外部設備指出操作將使用數(shù)據(jù)總線的高8位，使用nPCE1向外部設備指出操作將使用數(shù)據(jù)總線的低8位。I/O地址空間的訪問使用nPIOW和nPIOR信號作為讀寫控制信號。

2. PXA255與CF卡硬件接口設計

圖3：硬件接口電路

??? 本設計僅采用一個CF卡插槽，使用Socket0的I/O地址空間，而且CF卡采用True IDE模式。則訪問地址空間為0x20000000-0x24000000時，PC Card/CF卡控制器將同時驅(qū)動信號SA_A25：0、nPREG和nPSKTSEL，并使用nPIOW和nPIOR信號作為讀寫控制信號。True IDE模式支持8位存取，也支持16位存取。

??? 在True IDE模式下，某些信號有特殊的含義，必須采用True IDE模式下特有的設置方法。如表1所示，nCE1是任務文件寄存器片選信號，低電平有效；nCE2是交替狀態(tài)(Alternate Status)寄存器和設備控制(Device Control)寄存器片選信號，也是低電平有效。因為實際操作中，極少使用交替狀態(tài)寄存器和設備控制寄存器，所以對CF卡的操作實際就是對任務文件寄存器的操作。因此，一般設置nCE1=0，nCE2=1。實現(xiàn)方法：在CPLD中設置nCE1=SA_A4，nCE2=not SA_A4。這樣設置是有根據(jù)的。表1是True IDE模式下I/O編碼表。主機操作CF卡時，系統(tǒng)僅使用地址總線A2：0，用于選擇組成任務文件寄存器的8個寄存器之一。而地址總線A10：3由主機接地。因此，nCE1=SA_A4即nCE1=0；nCE2=not SA_A4即nCE2=1。表1中，-CE1=0時，對應的8個寄存器統(tǒng)稱為任務文件寄存器。

??? 需要注意的是，在True IDE模式下，nOE不是讀使能信號，而是CF卡True IED模式的使能信號。CF卡上電時，若nOE(PIN9)為"0"，則CF卡自動進入True IDE模式；若nOE="1"則進入PC Card 模式。當電源一直接通時，熱拔插CF卡將會使其從原來的True IDE模式重新配置成PC Card模式。因此，熱插拔過程中，為了使CF卡工作在True IDE模式，需要在CF卡加電啟動的時侯，同時將nOE信號接地。實現(xiàn)的方法：在CPLD中將nOE置0。True IDE模式下，nWE也不用作寫使能信號，而應該由主機將之接地。處理方法：在CPLD中將其只置為1。

??? 還有一點需要注意的是： Reset信號在True IDE 模式下低電平有效，而在其它模式下高電平有效。將Reset信號接到PXA255的系統(tǒng)復位信號Reset_SYS。

??? True IDE模式下，PXA255處理器與CF卡的硬件接口電路如圖3所示。

??? 在圖3中，D15：0為數(shù)據(jù)總線。RDnWR信號用來控制數(shù)據(jù)總線的方向(系統(tǒng)處于讀狀態(tài)時，RDnWR=1；系統(tǒng)處于寫狀態(tài)時，RDnWR=0)。nPSKTSEL信號用作數(shù)據(jù)總線的傳輸使能。SA_A10：0(CF_A10：0)為地址總線。在True IDE 模式下，CF卡的PSKTSEL引腳是主從(Master/Slave)選擇信號：當PSKTSEL懸空時，CF卡是Slave設備；當PSKTSEL=0時，CF卡是Master設備。設計僅采用一個CF卡插槽，所以將PSKTSEL接地。在TRUE IDE模式下，REG信號沒有用處，應該接電源VCC。IREQ是中斷請求信號。利用IREQ信號，PXA255處理器可以判斷CF卡是否處于讀寫忙狀態(tài)，對CF卡進行讀寫之前利用此引腳判斷CF卡是否空閑。nWAIT信號用于指示讀寫操作正在進行，請求處理器等待。

3. CF卡熱插拔、即插即用功能的實現(xiàn)

??? 在自身設計上，CF卡注重軟硬件兩方面的配合。軟硬件的協(xié)同設計可以實現(xiàn)CF卡熱插拔、即插即用的功能。

??? 一是硬件提供判斷條件。CF卡硬件電路提供了兩個用來檢測CF卡是否存在的引腳(nCD1和nCD2)。nCD1和nCD2的有效電平均為低電平，當主機檢測到與其相連的nCD1和nCD2引腳同時為低電平時，可判斷出CF卡與主機相連；當主機檢測到與其相連的nCD1和nCD2兩個引腳不同時為低電平，則可判斷出CF卡未與主機相連。

表1：True IDE模式I/O編碼

??? 二是軟件。首先定義全局變量(如：Cf_IsInsert)，用于記錄CF卡是否與主機相連：當Cf_IsInsert為0時表示CF卡未與主機相連；當Cf_IsInsert為1時表示CF卡與主機相連。然后，在每次操作CF卡之前都先檢測CF卡的nCD1和nCD2引腳。當檢測到nCD1和nCD2引腳同時為低電平(有卡插入)且Cf_IsInsert為0時，復位CF卡，重新檢測CF卡的FAT表，統(tǒng)計還有多少剩余空間可以分配。檢測完畢后，置變量Cf_IsInsert為1，然后設置MECR寄存器CIT比特位。當檢測到nCD1和nCD2引腳同時為低電平，且Cf_IsInsert為1時，設置MECR寄存器CIT比特位，繼續(xù)CF卡的正常操作。當檢測到nCD1和nCD2引腳為高時(無卡插入)，停止CF卡操作，清除MECR寄存器CIT比特位，置變量Cf_IsInsert為0。

讀/寫CF卡扇區(qū)程序的編寫方法

???? CF卡的讀寫是以一個扇區(qū)為基本單位的。在讀寫一個扇區(qū)之前必須先指明當前需要讀寫的柱面、頭和扇區(qū)或LBA地址，然后發(fā)送讀寫命令。一個扇區(qū)的512字節(jié)需要一次性連續(xù)讀出或者寫入。主機讀/寫CF卡上一個文件的過程是這樣的：
1．CF卡初始化。CF卡上電復位和統(tǒng)計剩余空間的大小。
2．CF卡內(nèi)部控制器向CF卡某些寄存器填寫必要的信息。如向扇區(qū)號寄存器填寫讀寫數(shù)據(jù)的起始扇區(qū)號或LBA地址、向扇區(qū)數(shù)寄存器填寫讀寫數(shù)據(jù)所占的扇區(qū)個數(shù)、設置CF卡的扇區(qū)尋址方式等。
3．向CF卡的命令寄存器寫入操作CF卡的命令。如寫操作向CF卡的命令寄存器寫入30H，讀操作向CF卡的命令寄存器寫入20H。
4．CF卡有數(shù)據(jù)傳輸請求之后，主機讀寫CF卡的數(shù)據(jù)寄存器，從而實現(xiàn)從CF卡數(shù)據(jù)緩沖讀出數(shù)據(jù)或向CF卡數(shù)據(jù)緩沖寫入數(shù)據(jù)。
5．在執(zhí)行以上操作的過程中，每執(zhí)行一步，都應該檢測狀態(tài)寄存器，確定CF卡的當前狀態(tài)，從而確定下一步應該執(zhí)行什么操作(參考狀態(tài)寄存器的BIT位的意義，編寫檢測代碼)。

本文小結

??? 前面詳細介紹了CF卡的工作原理、PXA255處理器的PC Card/CF卡控制器的特性，給出了基于PXA255處理器的嵌入式導航設備存儲系統(tǒng)的一種實現(xiàn)方案。目前，該設計已經(jīng)在印刷電路板上實現(xiàn)，運行穩(wěn)定可靠。