Intel Xscale PXA255嵌入式處理器與CF卡的

以導航設備存儲系統應用為例，本文討論了Intel Xscale PXA255嵌入式處理器與CF卡的硬件接口設計，并以讀寫(xiě)CF卡扇區的程序為例，給出了CF卡軟件編寫(xiě)的技巧。該設計為基于PXA255處理器的嵌入式系統提供了擴展存儲空間的一種方法。

圖1：CF卡結構框圖

Intel Xscale PXA255處理器是新一代的嵌入式處理器，基于A(yíng)RMv5TE體系結構的微處理器，性?xún)r(jià)比較高、功耗較低，適合于數字移動(dòng)電話(huà)、個(gè)人數字助理、網(wǎng)絡(luò )路由器等嵌入式系統的應用。在采用PXA255處理器開(kāi)發(fā)諸如車(chē)載導航系統時(shí)，電子地圖等海量地理信息數據需要一個(gè)容量大、體積小、性能優(yōu)異的存儲器。“Compact Flash”卡，簡(jiǎn)稱(chēng)CF卡，具有高速度、大容量、體積小、重量輕、功耗低和高性?xún)r(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，十分適合嵌入式系統的應用。因此，可選擇CF卡作為地理信息數據的存儲載體。PXA255處理器提供了PCMCIA/CF卡控制器，可以方便地實(shí)現PXA255處理器與CF卡的接口設計。

CF卡結構和工作原理

Compact Flash技術(shù)是由CF協(xié)會(huì )(CFA)提出的一種與PC機ATA接口標準兼容的技術(shù)。如圖1，CF卡由兩個(gè)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，用于存儲數據。內部控制器用來(lái)實(shí)現CF卡與主機的接口以及控制數據的傳輸。CF卡內部控制器的設計完全模擬硬盤(pán)，使用標準的ATA/IDE接口。

CF卡的存取方式有三種：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。三種方式相比，在True IDE模式下，CF卡與主機通信的信號最少，硬件接口最簡(jiǎn)單、軟件易于實(shí)現，因此本設計采用了True IDE模式。

CF卡扇區尋址有兩種方式：物理尋址方式(CHS)和邏輯尋址方式(LBA)。物理尋址方式使用柱面、磁頭和扇區號表示一個(gè)特定的扇區，起始扇區是0磁道、0磁頭、1扇區，接著(zhù)是2扇區，一直到EOF扇區；接下來(lái)是同一柱面1頭、1扇區等。邏輯尋址方式將整個(gè)CF卡同一尋址。邏輯塊地址和物理地址的關(guān)系為：LBA地址=(柱面號×磁頭數+磁頭號)×扇區數+扇區數-1。

CF卡沒(méi)有機械結構，因此CF卡的扇區尋址適宜采用邏輯尋址方式。邏輯尋址方式?jīng)]有磁頭和磁道的轉換操作，因此在訪(fǎng)問(wèn)連續扇區時(shí)，操作速度比物理尋址方式快得多。

對于CF卡的操作(如：讀/寫(xiě))，其實(shí)就是對CF卡控制器的寄存器進(jìn)行操作。所以，必須對CF卡的寄存器十分熟悉。這些寄存器統稱(chēng)為任務(wù)文件(task file)寄存器：
1．數據寄存器(讀/寫(xiě))，用于CF卡的讀寫(xiě)操作。主機通過(guò)該寄存器向CF卡數據緩沖寫(xiě)入或從CF卡數據緩沖讀出數據。
2．錯誤寄存器(Read)和特性寄存器(Write)。讀操作時(shí)，此寄存器為錯誤寄存器，用于指明錯誤的原因；寫(xiě)操作時(shí)，此寄存器為特性寄存器。
3．扇區數寄存器(讀/寫(xiě))，用來(lái)記錄讀、寫(xiě)扇區的數目。
4．扇區號寄存器(讀/寫(xiě))，用來(lái)記錄讀、寫(xiě)和校驗命令指定的起始扇區號或邏輯塊地址(LBA)的BIT7：0。
5．柱面號寄存器(讀/寫(xiě))，用來(lái)記錄讀、寫(xiě)、校驗和尋址命令指定的柱面號或LBA的BIT23：8。
6．驅動(dòng)器/磁頭寄存器(讀/寫(xiě))，記錄讀、寫(xiě)、校驗和尋道命令指定的驅動(dòng)器號、磁頭號或LBA的BIT27：24，其中BIT6(LBA)用來(lái)設置CF卡扇區的尋址方式(LBA=0，采用CHS模式；LBA=1，采用LBA模式)。

圖2：CF卡地址空間存儲映像

7．狀態(tài)寄存器(讀)和命令寄存器(讀/寫(xiě))，讀操作時(shí)，該寄存器是狀態(tài)寄存器，指示CF卡控制器執行命令后的狀態(tài)，讀狀態(tài)寄存器則返回CF卡的當前狀態(tài)；寫(xiě)操作時(shí)，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。

PXA255處理器與CF卡的硬件接口設計

1. PXA255的PC Card/CF卡控制器

PXA255處理器PC Card/CF卡控制器可以支持一個(gè)PCMCIA卡或CF卡插槽，利用nPSKTSEL引腳可以支持第2個(gè)插槽。寄存器MECR用于向PXA255處理器的PC Card/CF卡控制器指出是否有CF卡插入，以及系統支持的CF卡的插槽數目。在有卡插入時(shí)，軟件必須將MECR的CIT比特位置1；所有的卡拔出時(shí)，則必須將之清零。

PXA255處理器PC Card/CF卡接口支持8、16位外圍設備，而且可以處理公共存儲器(Common Memory)、I/O和特性存儲器(Attribute Memory)三種方式的存取。每次訪(fǎng)問(wèn)的時(shí)間取決于MCMEMx、MCATTx和MCIOx寄存器的設置。圖2給出了PXA255處理器16位PC Card/CF卡地址空間的存儲器映像。16位PC Card/CF卡存儲器映像空間分為8塊。每個(gè)插槽對應其中4塊，分別為公共存儲器、I/O、特性存儲器和保留空間。每個(gè)塊的大小為64M。

每次訪(fǎng)問(wèn)PC Card /CF卡對應的地址空間，PC Card/CF卡控制器將同時(shí)驅動(dòng)信號SA_A25：0、nPREG和nPSKTSEL。(注：PXA255處理器的地址總線(xiàn)為SA_A25：0。)

如果訪(fǎng)問(wèn)公共存儲器和特性存儲器地址空間，PC Card/CF卡控制器驅動(dòng)地址總線(xiàn)的時(shí)候，同時(shí)驅動(dòng)nPCE1、nPCE2信號，并使用nPOE和nPWE信號作為讀寫(xiě)控制信號。

如果是訪(fǎng)問(wèn)I/O空間，nPCE1、nPCE2的值取決于CF卡的信號輸出nIOIS16，而且在nIOIS16有效后，nPCE1、nPCE2將有效固定的一段時(shí)間。nIOIS16信號用來(lái)決定傳送的數據總線(xiàn)的寬度(8位或16位)：nIOIS16=1，表明當前的數據總線(xiàn)為8位，nPCE1有效；nIOIS16=0表明當前的數據總線(xiàn)為16位，nPCE1、nPCE2同時(shí)有效。PXA255使用nPCE2向外部設備指出操作將使用數據總線(xiàn)的高8位，使用nPCE1向外部設備指出操作將使用數據總線(xiàn)的低8位。I/O地址空間的訪(fǎng)問(wèn)使用nPIOW和nPIOR信號作為讀寫(xiě)控制信號。

2. PXA255與CF卡硬件接口設計

圖3：硬件接口電路