1 CF卡的特點及應用
點　CF卡是最近幾年蓬勃發(fā)展固態(tài)非易失的存儲介質，由于CF卡具有攜帶方便、易于升級、存儲量大、抗震性好等優(yōu)點，在大容量便攜式數(shù)據(jù)存儲和傳輸過程中，CF 有著非常廣泛的應用前景，如數(shù)碼相機、MP3播放器、PDA(個人數(shù)字助理)、數(shù)字式錄音機、筆記本電腦、手提電話、機頂盒等。預計今后在其他領域將有更為廣泛的應用。另外CF卡的兼容性佳，不僅同時支持3.3 V和5 V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%。目前，CF卡容量從最早的2 MB到現(xiàn)今的8 GB，數(shù)據(jù)傳輸從最早的5 MB/s發(fā)展到現(xiàn)在的20 MB/s。
　　CF卡由2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(jù)。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(jù)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 的存取方式有3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。
　　3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True IDE模式。

2 CF卡接口控制器的寄存器的定義
　　在設計中，采用Altera提供的一個CF接口控制器內核實現(xiàn)CF卡數(shù)據(jù)的傳輸.該內核提供一個連接片外CF卡的Avalon總線接口，通過使用適當?shù)臅r序把Avalon總線信號映射到CF卡，提供了對標準的實IDE模式寄存器的訪問，允許設計者在Nios II系統(tǒng)中簡易連接就可以使用CF卡。圖1所示為CF卡接口控制器內核的結構框圖。

圖1 CF卡控制器內核結構框圖
　　該內核提供2個Avalon總線從端口.第一個是為了訪問CF設備內部的寄存器組，第二個是為了訪問控制器內核內部的寄存器文件，CF核提供2個高有效的中斷請求輸出，一個是CF插入或移除的中斷信號，另一個是把設備上的中斷信號傳送到Avalon主設備。
　　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(jù)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(jù)緩沖寫入或從CF卡數(shù)據(jù)緩沖讀出數(shù)據(jù)。
　　(2)錯誤寄存器(讀)和特性寄存器(寫) 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)。
　　(7)狀態(tài)寄存器(讀)和命令寄存器(寫)，在讀操作時，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)；在寫操作時，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。

3 Nios II處理器與CF卡的硬件接口設計
　　在Altera公司提供的SoPC軟件中對該軟核進行配置時，選用Nios II CPU、內部定時器、CF卡接口控制器、SDRAM 控制器、FLASH 存儲器接口、LCD 接口和EPCS4串行配置器件控制器接口。其框圖如圖2所示。

　　　　　　　
　　　　圖2 硬件接口框圖

4 CF卡的接口控制器的軟件操作
　　在Nios II系統(tǒng)中，應用軟件架構在HAL(硬件抽象層)和C標準庫函數(shù)上。在Nios II IDE 中建立新的軟件工程時，IDE會根據(jù)SoPC Builder對系統(tǒng)的硬件配置自動生成一個定制HAL系統(tǒng)庫。這個庫能為程序和底層硬件的通信提供接口驅動程序，HAL系統(tǒng)庫為CF卡接口控制器內核提供了兩組直接訪問設備寄存器的API函數(shù)，其中一個是針對IDE任務文件(ATA)寄存器的，主要提供了對標準的實IDE模式寄存器的訪問設，另一個是針對CF接口控制寄存器的，主要提供了對電源，復位，插入或移除檢測和中斷的控制。設計者只需要調用這些函數(shù)就可以訪問外部設備。
　　由于CF卡的讀寫是以一個扇區(qū)為基本單位的。在讀寫一個扇區(qū)之前必須先指明當前需要讀寫的柱面、頭和扇區(qū)或LBA地址，然后發(fā)送讀寫命令。一個扇區(qū)的512 B需要一次性連續(xù)讀出或寫入。主機讀/寫CF卡上一個文件的過程是這樣的：
　　(1)CF卡檢測。調用：
IORD_ALTERA_AVALON_CF_CTL_STATUS(CF_CTI_BASE)。
　　(2)CF卡內部控制器向CF卡某些寄存器填寫必要的信息。如向扇區(qū)號寄存器填寫讀寫數(shù)據(jù)的起始扇區(qū)號或I.BA地址、向扇區(qū)數(shù)寄存器填寫讀寫數(shù)據(jù)所占的扇區(qū)個數(shù)、設置CF卡的扇區(qū)尋址方式等。調用：
IOWR_ALTERA_AVALON_CF_IDE_SECTOR_COUNT(CF_IDE_BASE,Sector_cunt);
IOWR_ALTERA_AVALON_CF_IDE_SECTOR_NUMBER(CF_IDE_BASE,Sector_num);
IOWR_ALTERA_AVALON_CF_IDE_CYLINDER_LOW(CF_IDE_BASE,0x00);
IOWR_ALTERA_AVALON_CF_IDE_CYLINDER_HIGH(CF_IDE_BASE,0x00);
IOWR_ALTERA_AVALON_CF_IDE_DEVICE_HEAD(CF_IDE_BASE,0xe0)。
　　(3)向CF卡的命令寄存器寫入操作CF卡的命令。如寫操作向CF卡的命令寄存器寫入30H，讀操作向CF卡的命令寄存器寫入20H。調用：
IOWR_ALTERA_AVALON_CF_IDE_COMMAND(CF_IDE_BASE,0x30);
IOWR_ALTERA_AVALON_CF_IDE_COMMAND(CF_IDE_BASE,0x20)。
　　(4)CF卡有數(shù)據(jù)傳輸請求之后，主機讀寫CF卡的數(shù)據(jù)寄存器，從而實現(xiàn)從CF卡數(shù)據(jù)緩沖讀出數(shù)據(jù)或向CF卡數(shù)據(jù)緩沖寫入數(shù)據(jù)。調用：
IORD_ALTERA_AVAlON_CF_IDE_DATA (CF_IDE_BASE);
IOWR_ALTERA_AVALON_CF_IDE_DATA(CF_IDE_BASE,Data_Write)。
　　(5)在執(zhí)行以上操作的過程中，每執(zhí)行一步。都應該檢測狀態(tài)寄存器，確定CF卡的當前狀態(tài)，從而確定下一步應該執(zhí)行什么操作(參考狀態(tài)寄存器的BIT位的意義，編寫檢測代碼)。調用：
IORD_ALTERA_AVALON_CF_IDE_STATUS(CF_IDE_BASE)。
　　由于CF卡由ATA控制器和FLASH存儲器2部分構成，處理器訪問FLASH存儲器的速度遠遠小于訪問內存的速度，如果系統(tǒng)頻繁訪問CF卡，勢必會影響系統(tǒng)的實時性和工作效率。所以必須考慮CF卡讀寫程序的設計技巧 。根據(jù)存儲器訪問的局部性原理，CPU 存取數(shù)據(jù)所訪問的存儲單元都趨向于聚集在一個較小的連續(xù)區(qū)域。從時間上看，如果一個信息項正在被訪問，那么在近期他很可能還會被再次訪問。從空間上看，在最近將用到的信息很可能與目前正在使用的信息在空間地址上是臨近的。在Nios II硬件系統(tǒng)設計中，添加了片上的存儲空間，用于存儲最近訪問過的扇區(qū)數(shù)據(jù)。另外還設置了兩個全局變量：一個保存最近備份的扇區(qū)編號；另一個說明備份數(shù)據(jù)是否與CF卡中的相應數(shù)據(jù)一致，如果一致，其值為0，否則為1。這樣不但可以減少讀寫CF卡的次數(shù)。而且提高了訪問速度，通過添加硬件緩沖區(qū)，滿足嵌入式操作系統(tǒng)的實時性要求。目前，該設計已經(jīng)在開發(fā)板上實現(xiàn)，運行穩(wěn)定可靠。