摘  要： 介紹了8086全硅計(jì)算機(jī)的體系架構(gòu)， 設(shè)計(jì)了8086全硅計(jì)算機(jī)與SD卡連接的硬件接口，并使用軟件和硬件相結(jié)合的調(diào)試方法，可快速調(diào)試驗(yàn)證SD卡的功能。通過(guò)FPGA的驗(yàn)證，SD卡作為8086全硅計(jì)算機(jī)的硬盤，可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程、縮短設(shè)計(jì)周期。
關(guān)鍵詞： APB總線；SD卡；全硅計(jì)算機(jī)；固態(tài)硬盤

    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(guò)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(jiǎn)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(guò)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(guò)APB總線對(duì)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(jiǎn)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(duì)I/O設(shè)備訪問(wèn)，必須對(duì)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(duì)SD卡進(jìn)行訪問(wèn)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(guò)自身內(nèi)部的譯碼器使對(duì)應(yīng)的從主機(jī)口有效，對(duì)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(jiǎn)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(shì)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(duì)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(guò)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(wèn)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。

    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(guò)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(guò)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(yǔ)言對(duì)SD卡轉(zhuǎn)換接口模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，用modelsim6.1f 對(duì)該模塊在8086 CoC系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行仿真和調(diào)試。為了測(cè)試硬件接口，通過(guò)編寫(xiě)基于8086CPU的匯編程序，使CPU執(zhí)行相應(yīng)的匯編指令對(duì)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(xiě)和擦除是通過(guò)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(guò)軟件控制來(lái)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)。

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(guò)BIOS軟件編程實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)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(xiě)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)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(guò)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(duì)SD卡的讀寫(xiě)操作，必須設(shè)定讀寫(xiě)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(duì)1塊或者是多塊進(jìn)行讀寫(xiě)，為了和8086CoC的硬盤結(jié)構(gòu)一致，設(shè)定為單塊讀寫(xiě)。給出內(nèi)嵌在BIOS當(dāng)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(jì)數(shù)10次
    hd_post_init80:   ；循環(huán)10次給SD卡80個(gè)sclk， SD卡上電的過(guò)程至少要74個(gè)時(shí)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(yīng)是否為01h
       je   hd_post_cmd1  ；響應(yīng)正確則發(fā)送CMD1，激活SD卡。
    ……
    當(dāng)SD卡初始化完成以后，就可以對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作。讀SD卡的命令是CMD17；寫(xiě)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(xiě)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(méi)有采用固態(tài)硬盤，就是為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，避開(kāi)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(guò)Verilog HDL硬件描述語(yǔ)言對(duì)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)，不采用通過(guò)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(kāi)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(guò)JTAG電纜下載到DE2開(kāi)發(fā)板上，把SD卡插入DE2開(kāi)發(fā)板的SD卡插槽，進(jìn)行SD卡的調(diào)試。
    為了測(cè)試SD卡能否接收到主機(jī)的數(shù)據(jù)，有效辦法是檢測(cè)SD卡對(duì)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(wèn)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。
       mov ax，0h                     
       mov ds，ax       ；目標(biāo)基地址為0  
       mov bx，0500h    ；偏移地址             
       mov al，00h       ； al寄存器寫(xiě)入0，可根據(jù)需要給al不同的值        
       mov ds:[bx]，al    ； 把a(bǔ)l的值寫(xiě)入地址為500h內(nèi)存單元
    這樣就可以通過(guò)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(guò)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(cè)每條命令發(fā)送情況。
    即使沒(méi)有邏輯分析儀，也可以通過(guò)斷點(diǎn)程序法在某一確定內(nèi)存寫(xiě)入一些特殊的值，然后同樣用Altera DE2開(kāi)發(fā)板提供(DE2_contorl_panel)軟件把內(nèi)存值讀出來(lái)與寫(xiě)入的值進(jìn)行比較。如果內(nèi)存寫(xiě)入的值與斷點(diǎn)程序?qū)懭氲闹迪嗤瑒t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(duì)SD卡進(jìn)行讀寫(xiě)。在寫(xiě)SD卡調(diào)試中：設(shè)定寫(xiě)命令的地址參數(shù)，在參數(shù)對(duì)應(yīng)的地址單元向SD卡寫(xiě)入一些特殊的值，然后通過(guò)WINHEX軟件去查看SD卡在該地址的數(shù)據(jù)是否與寫(xiě)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(guò)Altera DE2開(kāi)發(fā)板提供軟件把該內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀出來(lái)與SD卡的原來(lái)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。
    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(xiě)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(guò)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(guò)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(duì)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(guò)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(xiě)速度受到一定的限制，但這些可以通過(guò)更高讀寫(xiě)速度的SD卡來(lái)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(wèn)SD卡的軟件程序，無(wú)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。
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