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(duì)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,。
    ……
    // 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(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(duì)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(duì)應(yīng)的地址單元向SD卡寫入一些特殊的值，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)的讀寫速度受到一定的限制,，但這些可以通過(guò)更高讀寫速度的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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