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嵌入式處理器MPC8250與CF卡的接口設計
摘要：從如何設計嵌入式處理器與ＣＦ卡之間的接口、如何高效率地編制讀寫程序出發，介紹了嵌入式處理器與ＣＦ卡的接口設計和編程技巧。最近幾年，嵌入式處理器蓬勃發展，在通信、航空航天、醫療設備、消費類電子產品等領域一展身手。嵌入式處理器的外圍設備也日新月異，例如記憶棒、ＵＳＢ口、ＣＦ卡等。本文從硬件和軟件角度出發，介紹了ＣＦ卡在嵌入式系統中的設計和使用技巧。
由于ＣＦ卡具有攜帶方便、易于升級、存儲量大、抗震性好等優點，應用范圍越來越廣。１９９５年１０月，ＳａｎＤｉｓｋ、柯達、卡西歐、惠普、摩托羅拉、佳能等１２５家廠商發起成立了ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ協會，致力于制定新一代的基于ＲＡＭ和ＲＯＭ技術的固態非易失的存儲介質標準——ＣＦ卡標準?使不同廠家開發的ＣＦ卡及其接口器件可以互相兼容。目前，ＣＦ卡標準已有１．４版本，容量從最早的２Ｍ字節到現今的１Ｇ字節。
同時，ＣＦ卡遵從ＡＴＡ－ＩＤＥ工業設計標準，連接裝置與 ＰＣＭＣＩＡ卡相似，只不過ＣＦ卡是５０引腳（ＰＣＭＣＩＡ卡６８引腳），可以很容易插入無源６８引腳 ＴｙｐｅＩＩ適配卡并完全符合ＰＣＭＣＩＡ電力和機械接口規格。另外，ＣＦ卡的兼容性佳，不僅同時支持３．３Ｖ和５Ｖ的電壓，而且不同的ＣＦ卡都可以用單一的機構讀寫，特別是ＣＦ卡升級換代時也可以保證舊設備的兼容性。而純電子運動的ＣＦ卡耗電量很低，僅為ＩＢＭ微型硬盤的５％。
１ 系統設計
圖１是筆者開發的嵌入式系統框圖。其中，嵌入式處理器是ＭＰＣ８２５０，ＰＣＩ１４１０Ａ是連接ＰＣＩ總線和ＣＦ卡的一種接口芯片。
ＭＰＣ８２５０芯片是Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司開發的一款ＰｏｗｅｒＰＣ系列嵌入式處理器。芯片采用小巧而強大的３２位超標量體系結構ＰｏｗｅｒＰＣ ６０３ｅ處理器內核，最高主頻為３００ＭＨｚ。它集成了ＰＣＩ橋、ＰＣＩ仲裁器、存儲器控制器、中斷控制器、ＤＭＡ控制器、１６Ｋ字節指令高速緩存和１６Ｋ字節數據高速緩存等部件。ＭＰＣ８２５０具有三個可配置為百兆或十兆以太網的ＦＣＣ口，四個可配置為串口或網口的ＳＣＣ口，一個多通道ＨＤＬＣ接口。該芯片適用于對成本、空間、功耗和性能都有很高要求的應用領域，例如路由器／接線器、多路ＭＯＤＥＭ、網絡存儲應用和圖像顯示等系統。
ＰＣＩ１４１０Ａ芯片是ＴＩ公司開發的一種高性能的ＰＣＩ到ＣＦ卡的控制器，支持遵循ＣＦ卡標準的各類ＣＦ卡。它符合ＰＣＩ總線標準，既可以工作于ＰＣＩ主設備模式，也可以工作于ＰＣＩ從設備模式。
ＭＰＣ８２５０與ＰＣＩ１４１０Ａ之間通過３２位ＰＣＩ局部總線連接，工作頻率３３ＭＨｚ。ＭＰＣ８２５０用作ＰＣＩ主設備，ＰＣＩ１４１０Ａ用作ＰＣＩ從設備，同時采用ＭＰＣ８２５０內部的ＰＣＩ仲裁器。
本設計選用ＳａｎＤｉｓｋ公司的型號為ＳＤＣＦＢ－６４－１０１的ＣＦ卡，６４Ｍ字節容量，幾何尺寸為３６．４ｍｍ×４２．８ｍｍ×３ｍｍ。ＰＣＩ１４１０Ａ與ＣＦ卡之間的連接遵循ＣＦ卡標準，由地址、數據、控制三組信號組成。ＰＣＩ１４１０Ａ提供了五個通用Ｉ／Ｏ引腳，設計中將其中一個引腳ＧＰＩＯ１用作ＬＥＤ指示。當ＣＦ卡工作時，ＬＥＤ會以６４ｍｓ的周期閃爍。
ＳＤＲＡＭ選用了三星公司的Ｋ４Ｓ５６１６３２Ａ，每片容量２５６Ｍ比特，共四片。
圖2 讀寫CF卡技巧示意圖
２ 接口編程
在ＣＦ卡工作前，必須先進行初始化，在整個系統的地址空間中確定ＣＦ卡的位置，預設置ＣＦ卡的工作模式及相關寄存器。本設計中，ＣＦ卡位于系統的０ｘ９Ａ００００００～０ｘ９ＤＦＦＦＦＦＦ地址空間。在每次讀寫ＣＦ卡時，必須根據讀寫數據的多少和操作特性來配置相應寄存器。
２．１ ＣＦ卡初始化
本系統中，ＣＦ卡的初始化由ＭＰＣ８２５０通過ＰＣＩ總線配置ＰＣＩ１４１０Ａ的寄存器實現，具體步驟如下：
（１）設置ＣＦ卡的基地址，即配置ＥｘＣＡ寄存器（偏移量：０ｘ１０）。該寄存器定義了ＣＦ卡在ＰＣＩ存儲器空間的基地址，即０ｘ９Ａ００００００。
（２）配置ＰＣＩ命令寄存器（偏移量：０ｘ０４），允許ＣＰＵ訪問ＰＣＩ存儲空間。
（３）配置系統控制寄存器（偏移量：０ｘ８０）。該寄存器定義了一些系統控制位，例如，是否采用ＰＣＩ中斷方式，是否采用內部振蕩器，是否采用ＤＭＡ等。本設計采用ＰＣＩ中斷方式，不采用內部振蕩器和ＤＭＡ。
（４）配置多功能引腳寄存器（偏移量：０ｘ８Ｃ）。該寄存器配置通用引腳。本設計配置ＧＰＩＯ１引腳為ＬＥＤ指示，ＧＰＩＯ２引腳為ＰＣＩ中斷輸出。
（５）配置設備控制寄存器（偏移量：０ｘ９２）。該寄存器選擇中斷方式，是并行ＰＣＩ中斷還是串行ＰＣＩ中斷。本設計選擇了傳統的并行ＰＣＩ中斷方式。
（６）配置ＥｘＣＡ電壓控制寄存器（偏移量：０ｘ８０２），選擇Ｖｃｃ為３．３Ｖ還是５Ｖ。本設計選擇Ｖｃｃ為３．３Ｖ。
（７）配置ＥｘＣＡ存儲窗口０起始地址低位寄存器（偏移量：０ｘ８１０），即起始地址的Ａ１９～Ａ１２位。ＰＣＩ１４１０Ａ具有五個存儲地址翻譯窗口和二個Ｉ／Ｏ地址翻譯窗口，用于配置ＣＦ卡內寄存器的訪問地址，將ＣＦ卡的寄存器映射到系統的存儲空間或Ｉ／Ｏ空間，ＭＰＣ８２５０訪問這些寄存器就相當于訪問一段存儲空間或Ｉ／Ｏ空間。本設計中只使用了存儲地址翻譯窗口０。
（８）配置ＥｘＣＡ存儲窗口０起始地址高位寄存器（偏移量：０ｘ８１１），即起始地址的Ａ２３～Ａ２０位。
（９）配置ＥｘＣＡ存儲窗口０結束地址低位寄存器（偏移量：０ｘ８１２），即結束地址的Ａ１９～Ａ１２位。
（１０）配置ＥｘＣＡ存儲窗口０結束地址高位寄存器（偏移量：０ｘ８１３），即結束地址的Ａ２３～Ａ２０
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