Intel Xscale PXA255嵌入式處理器與CF卡的硬件接口

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。內部控制器用來實現(xiàn)CF卡與主機的接口以及控制數(shù)據的傳輸。CF卡內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。邏輯尋址方式沒有磁頭和磁道的轉換操作，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)據緩沖寫入或從CF卡數(shù)據緩沖讀出數(shù)據。

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.驅動器/磁頭寄存器(讀/寫)，記錄讀、寫、校驗和尋道命令指定的驅動器號、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卡控制器驅動地址總線的時候，同時驅動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)據總線的寬度(8位或16位)：nIOIS16=1，表明當前的數(shù)據總線為8位，nPCE1有效;nIOIS16=0表明當前的數(shù)據總線為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)據總線的高 8位，使用nPCE1向外部設備指出操作將使用數(shù)據總線的低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

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。