吳 斌 ，李翔宇 ，時(shí)丙才 ，李 垚 ，高明倫

(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(jì)研究所，安徽 合肥 230009)

全硅計(jì)算機(jī)CoC(Computer-on-a-Chip)將傳統(tǒng)PC機(jī)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(gè)芯片中。8086 CoC集成了Intel 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(chǔ)設(shè)備，例如固態(tài)硬盤(Solid-State Disk)利用Flash芯片作為存儲(chǔ)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(chǔ)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)镾D卡是基于閃存的存儲(chǔ)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(chǔ)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。

圖1 8086 CoC架構(gòu)圖

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AMBATMSpecification(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(shí)，CPU地址總線傳送APB總線的地址為100H或101H。此時(shí)，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(shí)，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。

表1 SD卡接口及功能

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(gè)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(gè)字節(jié)(8位)為1個(gè)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(shí)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(gè)SCLK時(shí)鐘周期。SD卡被訪問期間的片選信號(hào)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(shí)鐘信號(hào)SCLK和片選信號(hào)CS。圖2所示為SD卡轉(zhuǎn)換接口模塊的框圖。

圖2 SD卡轉(zhuǎn)換接口模塊的框圖

片選信號(hào)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(shí)，SS信號(hào)為低電平，SD卡被選中；當(dāng)APB總線的高位輸出為高電平時(shí)，SS信號(hào)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(chǔ)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(shí)鐘發(fā)生器作用是：采樣時(shí)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(shí)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(tái)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(hào)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(gè)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)。

表2 SD卡的命令格式

2.1 SD卡的初始化

本文設(shè)計(jì)了APB總線的SD卡硬件轉(zhuǎn)換接口，通過BIOS軟件編程實(shí)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(gè)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(jìn)入SPI接口模式，需要在片選信號(hào)CS為低電平時(shí)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(yàn)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(dāng)中初始化的(基于Emu8086)匯編程序。

當(dāng)SD卡初始化完成以后，就可以對SD卡進(jìn)行讀寫操作。讀SD卡的命令是CMD17；寫SD卡的命令是CMD24。這 2個(gè)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(gè)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(jì)，避開設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)難點(diǎn)。因?yàn)镾D卡是復(fù)雜存儲(chǔ)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(jìn)行SD卡功能仿真，其復(fù)雜性將會(huì)更大。為了簡化設(shè)計(jì)，不采用通過SD卡模型在Modelsim中進(jìn)行仿真，而是把設(shè)計(jì)直接綜合到FPGA板上進(jìn)行板級(jí)仿真。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行SD卡的調(diào)試。

為了測試SD卡能否接收到主機(jī)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(dá)到命令響應(yīng)將SD卡接口信號(hào)輸出到邏輯分析儀進(jìn)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(hào)完整的波形是不可能的。為了解決這個(gè)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(jì)程序斷點(diǎn)辦法，如初始化程序中在CMD0命令的后面加上如下斷點(diǎn)程序。

這樣就可以通過主機(jī)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(diǎn)，通過這些設(shè)置的斷點(diǎn)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(diǎn)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(jìn)行比較。如果內(nèi)存寫入的值與斷點(diǎn)程序?qū)懭氲闹迪嗤?，則證明命令得到了正確響應(yīng)。

驗(yàn)證完成SD卡初始化以后，就可以對SD卡進(jìn)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(chǔ)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(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

圖3 SD卡轉(zhuǎn)換接口信號(hào)波形圖

此調(diào)試法并不是一定要執(zhí)行，當(dāng)只有SD卡不能正常讀寫時(shí)，可以用此方法進(jìn)行調(diào)試，分析每條命令的執(zhí)行情況。實(shí)驗(yàn)證明該方法非常有效，通過本設(shè)計(jì)提出的SD卡作為8086 CoC的硬盤設(shè)計(jì)取得了成功。圖3所示為SD卡轉(zhuǎn)換接口信號(hào)初始化過程中發(fā)送CMD0命令波形圖。

3 FPGA的驗(yàn)證結(jié)果

采用Quartus II對所設(shè)計(jì)的SD卡轉(zhuǎn)換接口在Cyclone II系列的EP2C35F672C6 FPGA進(jìn)行綜合，綜合報(bào)告顯示總邏輯單元46個(gè)，總寄存器數(shù)30個(gè)，時(shí)鐘頻率高達(dá)420 MHz，綜合報(bào)告表明設(shè)計(jì)占用的邏輯資源非常少。FPGA驗(yàn)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(dòng)8086 CoC的DOS操作系統(tǒng)。

本文以SD卡作為8086CoC的硬盤設(shè)計(jì)為例，介紹了SD卡作為大容量存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)方法。采用SD卡作為大容量存儲(chǔ)器可以減少設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、縮短設(shè)計(jì)周期。并且由于SD卡的許多優(yōu)點(diǎn)可使得系統(tǒng)工作穩(wěn)定、提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)，本設(shè)計(jì)具有高可移植性，可以方便地移植到其他需要大容量存儲(chǔ)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(jì)好的硬件電路，減少了電路設(shè)計(jì)的成本。

[1]8086 16-bit HMOS microprocessor[M].USA:Intel Corporation，1990.

[2]STEVENS C E.At attachment 8-ATA/ATAPI command set[S].2008.

[3]KANG J D， KIM J S， PARK C， et al.A multi-channel architecture for high-performance NAND flash-based storage system[J].Journal of Systems Architecture.2007，53(9):644-658.

[4]SD memory card specifications part1[S].Physical Layer Specification Version 1.0.March 2000.

[5]Altera Corporation.Cyclone device handbook Vol.II[S].2003.