用SD卡設(shè)計(jì)8086全硅計(jì)算機(jī)的硬盤
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8086 CPU[1]全硅計(jì)算機(jī)，而由于8086 CoC高度集成性，傳統(tǒng)的機(jī)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(jì)最大的障礙就是設(shè)計(jì)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(jì)復(fù)雜的控制器[3]。為了簡化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性又兼顧固態(tài)硬盤的優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用SD卡(Secure Digital Card)作為8086 CoC的硬盤。因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/SD卡">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(diǎn)。采用SD卡作為8086 CoC的硬盤可避免設(shè)計(jì)復(fù)雜的硬盤控制器。
1 硬件設(shè)計(jì)
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(jìn)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(jìn)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(jì)的重點(diǎn)，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(jī)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(jì)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(jìn)制)分別為SD卡的數(shù)據(jù)端口與片選端口。CPU對SD卡進(jìn)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(jī)口有效，對應(yīng)的從機(jī)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(jī)進(jìn)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)主機(jī)，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(jìn)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(jì)
主機(jī)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(jī)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(jì)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(dāng)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(dāng)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(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)，用modelsim6.1f 對該模塊在8086 CoC系統(tǒng)平臺進(jìn)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(jìn)行操作，實(shí)驗(yàn)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(jī)給SD卡發(fā)送相應(yīng)的執(zhí)行命令，主機(jī)給SD卡發(fā)送命令通過軟件控制來實(shí)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(jìn)制)。
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