目前,通過單片機去控制硬盤的ATA接口,大多采用PIO模式實現(xiàn),速度和性能上都不夠理想,硬盤與PC機的連接也相當(dāng)繁瑣。要頻繁地與PC機交換大量資料,采用USB硬盤是一個相當(dāng)好的解決方案。本文給出一個如何利用單片機完成對硬盤的讀寫,同時具有USB-ATA功能的可行方案。

1 USB、GPIF、ATA接口

1.1 USB總線

    USB(Universal Serial Bus)[4]是一種串行接口的新標(biāo)準(zhǔn),其主要優(yōu)點是速度快、功耗低、支持即插即用(Plug & Play)、使用安裝方便。USB支持最多5個Hub層以及127個外設(shè),所有外設(shè)通過協(xié)議共享USB的帶寬。目前使用中的USB協(xié)議有1.0、1.1和2.0三個版本,通訊速率分別為1.5Mbps、12Mbps、480Mbps,USB協(xié)議向下兼容。

    從邏輯結(jié)構(gòu)上講,USB數(shù)據(jù)的傳輸是通過管道進行的,管道的兩端連接host和device的端點BUFFER,BUFFER的大小直接影響通訊的速率。USB系統(tǒng)軟件通過缺省管道(與端點0相對應(yīng))管理設(shè)備,設(shè)備驅(qū)動程序通過其它管道來管理設(shè)備的功能接口。每一個USB設(shè)備在主機看來就是一個端點的集合,主機只能通過端點與設(shè)備進行通訊。在USB系統(tǒng)中,每一個端點都有唯一的地址,這是由設(shè)備地址和端點號給出的。每個端點都有一定的特性,其中包括:傳輸方式、總線訪問頻率、帶寬、端點號、數(shù)據(jù)包的最大容量等。根據(jù)應(yīng)用場合的不同選擇相應(yīng)的端點類型。USB數(shù)據(jù)流模型見圖1。

1.2 GPIF

    GPIF(general programmable interface)[1、2]即通用可編程接口,是CYPRESS公司在其EZ-USB FX以及FX2系列單片機里設(shè)計的一個可由用戶編程的接口,具有快速、靈活等特點,可使用多種協(xié)議完成與外圍器件的無縫連接,如EIDE/ATAPI、IEEE1284、Utopia等。對其可以根據(jù)需要進行編程,且運行中不需要CPU的干預(yù),僅通過一些CPU標(biāo)志和中斷與增強型8051內(nèi)核通訊。GPIF與8051內(nèi)核的關(guān)系見圖2。

 GPIF主要組成部分:

    (1)ADR[5..0]:地址線,可作為擴展存儲器的低位地址,在連續(xù)執(zhí)行GPIF動作時具有自動增一功能?？蓪ζ鋵?yīng)的寄存器進行讀寫(FX2系列中擴充為9根地址線)。

    (2)RDY[5..0]:輸入Ready信號,可對指定的信號進行連續(xù)采樣,以確定GPIF動作繼續(xù)、等待或是反復(fù)不斷采樣,直到信號的指定狀態(tài)出現(xiàn)。通常用來等待指定信號的某個狀態(tài)出現(xiàn),然后繼續(xù)剩余動作。

    (3)CTL[5..0]:輸出Control信號,根據(jù)編程指令輸出高低電平或集電極開路。通常用作選通信號、非總線輸出信號,以及產(chǎn)生簡單的脈沖信號。

    (4)FD[15..0]:雙向FIFO數(shù)據(jù)線,一般又稱AFI、BFI。

    (5)IFCLK:時鐘接口,決定使用外接時鐘還是使用內(nèi)部48MHz或30MHz時鐘周期。

    (6)GSTATE[2..0]:當(dāng)前GPIF狀態(tài)數(shù),可用來判斷當(dāng)前GPIF工作狀態(tài),一般調(diào)試用。

    (7)GPIF PROGRAM:GPIF程序存儲區(qū)間0x7900～0x797F,存儲GPIF指令,可存儲4組波形的程序代碼(FX2系列存儲區(qū)間為0xE400～0xE47F)。

    每個GPIF動作都由七段組成:Interval0～Interval6,簡稱I0～I6。執(zhí)行完I0~I6的動作后,最后都進入IDLE(I7),即空閑狀態(tài),以準(zhǔn)備啟動下一次GPIF動作。每個Interval可以定義為Non-Decision Interval,簡稱NDP;或是Decision Point Interval,簡稱DP。

    當(dāng)某個Interval定義為NDP,在執(zhí)行這個Interval動作時,只是簡單地延時,用來確定產(chǎn)生指定電平的延續(xù)時間;而當(dāng)Interval定義為DP時,它將根據(jù)RDY0～RDY5上的輸入信號狀態(tài),以及內(nèi)部FIFO的可編程標(biāo)志和一個內(nèi)部自定義的Internal Ready標(biāo)志,將這些信號進行邏輯與、邏輯或,或是進行邏輯異或,根據(jù)得到的邏輯結(jié)果在I0～I6中選擇下一個即將執(zhí)行的Interval。在每個Interval執(zhí)行時,都可指定CTL0～CTL5輸出用戶指定的狀態(tài)。通過RDY和CTL以及內(nèi)部一些標(biāo)志位的組合,能完成各種復(fù)雜的時序電路的控制。

1.3 ATA接口

    ATA[3]接口是在ST506基礎(chǔ)上改進而成的,它將控制器集成到驅(qū)動器中,采用8個端口寄存器完成對硬盤的讀寫。這些端口寄存器統(tǒng)稱為命令塊寄存器,各寄存器功能見表1。ATA有兩種工作模式:PIO模式和DMA模式。PIO傳輸模式是由處理器負(fù)責(zé)信息的傳輸,以扇區(qū)為單位,用中斷請求方式與處理器進行數(shù)據(jù)交換。DMA傳輸模式分多點DMA和UDMA兩種方式,其不需要處理器參與整個數(shù)據(jù)傳輸過程,而由I/O口直接將數(shù)據(jù)傳送到存儲器中,從而節(jié)約大量CPU時間,可更好地處理其他事務(wù)。UDMA中采用了冗余校驗技術(shù)(CRC)?？刂破鲗τ脖P的操作分為兩種:8位數(shù)據(jù)的命令操作和16位數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸操作。在對硬盤輸出控制命令前,程序需對端口完整輸出7字節(jié)的命令塊。其中前六個端口輸出為參數(shù),最后一個端口為命令碼。在讀寫數(shù)據(jù)端口時,以512個字節(jié)作為數(shù)據(jù)塊進行讀寫。硬盤執(zhí)行命令后,發(fā)出中斷請求,表示操作結(jié)束(命令傳輸);或置控制器狀態(tài)空閑,表示扇區(qū)請求傳輸(數(shù)據(jù)傳輸)。然后,控制器讀取硬盤狀態(tài)寄存器,檢測硬盤操作的成功與否。操作正常,則進行下一次動作;否則,進入錯誤處理程序。狀態(tài)寄存器各位信息描述見表2。

2 GPIF與ATA接口的硬件連接

    GPIF與ATA接口的連接見表3。

其中PB[0..7]和PD[0..7]是雙向FIFO數(shù)據(jù)線,用來連接數(shù)據(jù)線DD[0..15],進行數(shù)據(jù)的傳送;PA3連接RESET信號線,對硬盤進行復(fù)位操作;ADR[0..2]與DA[0..2]連接,對寄存器選址;RDY0、RDY1分別與IORDY、IOCS16連接,使FIFO分別工作在8位的命令傳輸和16位的數(shù)據(jù)傳輸模式下。

3 軟件設(shè)計流程

    GPIF的程序存儲區(qū)可存儲4組波形的程序代碼。一般情況下存儲的4組波形分別用于單字節(jié)讀、單字節(jié)寫、多字節(jié)連續(xù)讀、多字節(jié)連續(xù)寫。對不同寄存器的讀寫操作將觸發(fā)指定波形程序代碼的執(zhí)行,例如:讀SGLDATLTRIG寄存器,GPIF將執(zhí)行單字節(jié)讀操作;而寫SGLDATLTRIG寄存器,GPIF則執(zhí)行單字節(jié)寫操作。當(dāng)GPIF處于IDLE方式時,可以對程序區(qū)進行讀寫操作,從而改變波形程序。對GPIF的編程,可采用CYPRESS公司提供的一個基于Windows界面的開發(fā)工具。這個工具使得對GPIF的編程成為一個填表式的選擇過程。對所有選項選擇完畢后,它將自動生成C51的源代碼,完成初始化過程。現(xiàn)分別以EZ-USB FX系列和EZ-USB FX2系列中的GPIF為例,實現(xiàn)ATA接口中的PIO工作模式和UDMA工作模式。

    在EZ-USB FX系列里,FIFO只有64字節(jié)大小,BULK端點BUFFER最大也只能設(shè)置為64字節(jié)。因此,用此系列的GPIF實現(xiàn)ATA接口的PIO模式比較合適。GPIF程序存儲區(qū)分別存儲單字節(jié)讀、單字節(jié)寫、多字節(jié)連續(xù)讀、多字節(jié)連續(xù)寫4條波形程序。單字節(jié)讀、寫操作時,選擇數(shù)據(jù)寬度為8位,完成命令傳輸操作。多字節(jié)讀、寫操作時,選擇數(shù)據(jù)寬度為16位,完成數(shù)據(jù)傳輸操作。USB數(shù)據(jù)上傳給PC機,采用BULK方式。在EZ-USB FX系列中,端點2支持BULK方式,且可以設(shè)置成雙緩沖模式。單字節(jié)讀過程中,總線寬度為8位,RDY0信號接IORDY引腳,在每個Interval中可以根據(jù)選定的PIO模式指定合適的延時,也可以對IORDY信號采樣,直到指定狀態(tài)出現(xiàn)才繼續(xù)動作。圖3是根據(jù)PIO模式4采用GPIF產(chǎn)生的單字節(jié)讀波形。單字節(jié)寫波形的編程類似于單字節(jié)讀過程,如圖4所示。單字節(jié)操作一般用在命令傳輸中,數(shù)據(jù)傳輸則采用多字節(jié)讀寫操作,此時FIFO寬度為16,長度為64字節(jié)。與單字節(jié)操作不同的是,多字節(jié)讀寫操作在一次讀寫操作完成后,自動開始下一次讀寫操作,不需要再次觸發(fā),直到完成指定的次數(shù),從而減少了CPU參與的時間。在對一個扇區(qū)進行操作時,總共需要連續(xù)進行256次讀寫。為此,設(shè)計一個連續(xù)64次讀寫的多字節(jié)讀寫操作程序,調(diào)用4次,則完成對一個扇區(qū)的讀寫。PIO模式流程圖如圖5所示。

在EZ-USB FX2系列中,GPIF功能進一步完善,能更好地與ATA接口連接,并可以支持UDMA功能。FX2系列支持USB2.0的控制芯片,BULK端點大小可以設(shè)置為512字節(jié)或是1024字節(jié)。為實現(xiàn)UDMA功能,FX2系列中的GPIF做了幾方面的改善。先是讓GPIF中的Slave FIFO與USB通訊中端點BUFFER直接建立連接,數(shù)據(jù)的傳送不再需要CPU的參與。當(dāng)端點BUFFER寫滿后,置BUFFER滿標(biāo)志位,而GPIF則根據(jù)此標(biāo)志位停止讀寫動作。此外,GPIF中還多了一項Re-execute功能,即重復(fù)執(zhí)行功能。設(shè)定此項后,GPIF可以不經(jīng)過IDLE狀態(tài)而根據(jù)采樣RDY信號重復(fù)下一次動作,直到出現(xiàn)了指定的標(biāo)志位后才停止動作。這項功能一般用于大批量數(shù)據(jù)的連續(xù)讀寫,如UDMA模式下對一個或多個扇區(qū)的讀寫操作。為完成UDMA模式下的CRC校驗,FX2系列的芯片中還設(shè)置了特殊寄存器來完成CRC校驗工作,具體使用詳見芯片技術(shù)手冊?？梢?FX2系列芯片的GPIF能很好地勝任ATA接口中的UDMA模式傳輸。

    上述方案較好地實現(xiàn)了USB-ATA的功能,并實現(xiàn)了PIO和UDMA兩種模式。在運行中,GPIF不需要CPU的干預(yù),僅通過一些CPU標(biāo)志和中斷與8051內(nèi)核通訊,節(jié)約大量CPU資源。從該方案中還可以看出,EZ-USB FX以及FX2系列芯片的地址線、數(shù)據(jù)線都未用到。因此,在此方案上還可以進行其他擴展,從而實現(xiàn)基于硬盤的大容量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),應(yīng)用于某些特殊環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集。