用SD卡設計8086全硅計算機的硬盤
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本文設計了APB總線的SD卡硬件轉換接口，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、設置單塊讀寫的數(shù)據(jù)長度。SD卡上電復位后處于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，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，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，必須設定讀寫塊的大小。SD卡內(nèi)部結構是按照每塊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的硬盤結構一致，設定為單塊讀寫。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 ；判斷響應是否為01h
je hd_post_cmd1 ；響應正確則發(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，就是為簡化設計，避開設計復雜固態(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，其復雜性將會更大。為了簡化設計，不采用通過SD卡模型在Modelsim中進行仿真，而是把設計直接綜合到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，達到命令響應將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，可采用軟硬件相結合的調(diào)試方法，即SD卡每條命令的響應可在軟件編程設計程序斷點辦法，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。在每條命令中設置這樣的斷點，通過這些設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寫入的值相同，則證明命令得到了正確響應。
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：設定寫命令的地址參數(shù)，在參數(shù)對應的地址單元向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，通過本設計提出的SD卡作為8086 CoC的硬盤設計取得了成功。圖3所示為SD卡轉換接口信號初始化過程中發(fā)送CMD0命令波形圖。本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/202544.htm
3 FPGA的驗證結果
采用Quartus II對所設計的SD卡轉換接口在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的硬盤設計為例，介紹了SD卡作為大容量存儲器的設計方法。采用SD卡作為大容量存儲器可以減少設計的復雜性、縮短設計周期。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)嵌入關于訪問SD卡的軟件程序，無需修改已設計好的硬件電路，減少了電路設計的成本。
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