基于多CF接口系統的總線(xiàn)設計與實(shí)現

1.引言 　　

CF卡 （Compactflash：壓縮閃存）是目前世界上外形最小的大容量存儲設備，1994年由SanDisk最先推出。它與PCMCIA完全兼容，是一種固態(tài)產(chǎn)品，工作時(shí)沒(méi)有運動(dòng)部件。它極少出現機械故障，存儲的數據非常安全，是應用最為廣泛的存儲卡。而且耗電量小，只有普通硬盤(pán)的5%。與其它存儲卡相比，容量大是CF卡的一個(gè)比較明顯的優(yōu)勢，目前主流產(chǎn)品已經(jīng)達到512Mb和1Gb標準。另外它還具備速度快、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。CF卡采用閃存（flash）技術(shù)，是一種穩定的存儲解決方案，不需要電池來(lái)維持其中存儲的數據。對所保存的數據來(lái)說(shuō)，CF卡比傳統的磁盤(pán)驅動(dòng)器，更具安全性和保護性。

CF卡的應用特別廣泛。CF卡協(xié)會(huì )（CompactFlash Association：CFA）成立的初衷是希望CF技術(shù)能廣泛用于便攜式計算機、臺式機、數碼相機、手持條碼掃描器、高級雙向尋呼機、錄音機、監視器、機頂盒等產(chǎn)品中。采用CF技術(shù)可以使得這些產(chǎn)品的功能得到擴展、體積變小、質(zhì)量變輕。雖然以上目標還遠遠沒(méi)有完全實(shí)現，但它已經(jīng)廣泛地用于很多領(lǐng)域，其中CF IO卡已經(jīng)在調制解調器、網(wǎng)卡、數字電話(huà)卡、激光掃描儀及藍牙技術(shù)中得到了普遍的應用。隨著(zhù)人們對設備的小型化和自動(dòng)化的要求越來(lái)越高，CF卡的應用將會(huì )更加廣泛。

2．CF卡的應用現狀 　　

CF卡是由一個(gè)控制芯片和一個(gè)閃存組成，接口有50個(gè)腳（兩排），它能夠很容易地插入68針I(yè)I型適配器卡（符合PCMCIA的技術(shù)要求）中使用。CF卡可以使用3.3V和5V兩種電壓工作，但對一個(gè)確定的卡，只能工作于一種電壓。

現在一般的PC機上并沒(méi)有直接提供CF接口，對它的應用都是通過(guò)專(zhuān)門(mén)的讀卡器或是轉接設備來(lái)完成的?，F在有很多從USB接口到CF接口的轉接設備，例如朗科公司剛推出基于閃存技術(shù)的第一款數碼移動(dòng)存儲產(chǎn)品――優(yōu)卡，就是其中的一個(gè)。它采用內置USB和CF雙接口，用戶(hù)將優(yōu)卡中的圖片、音樂(lè )或其它數據上傳至電腦時(shí)，簡(jiǎn)化了對CF卡的操作過(guò)程，但它僅能支持一個(gè)CF卡，目前還沒(méi)有擴展出多個(gè)CF接口的設備，而且，它只是一種簡(jiǎn)化的讀卡器，需要專(zhuān)門(mén)的設備，沒(méi)有充分發(fā)揮出CF卡的優(yōu)勢，限制了對CF卡的更加有效的利用。

3．總線(xiàn)操作問(wèn)題及解決思路 　　

總線(xiàn)是構成系統的互連機構，是多個(gè)系統功能部件之間進(jìn)行數據傳送的公共通路。借助于總線(xiàn)連接，各系統功能部件之間實(shí)現地址、數據和控制信息的交換，并在爭用資源的基礎上進(jìn)行工作。

3.1 系統中的總線(xiàn)問(wèn)題 　　

在這個(gè)系統中，當多個(gè)CF卡同時(shí)工作時(shí)，需要進(jìn)行很多操作，處理器間要進(jìn)行數據和狀態(tài)字的相互交換，要向共享存儲器存取數據，還要對輸入輸出設備進(jìn)行讀寫(xiě)，所有這些操作都要用到總線(xiàn)。特別是當對實(shí)時(shí)性要求較高時(shí)，總線(xiàn)的操作會(huì )遇到很多的問(wèn)題： 　　

（1）多個(gè)CF卡同時(shí)占用總線(xiàn)時(shí)，如何避免總線(xiàn)的沖突。

（2）當一個(gè)操作占用總線(xiàn)時(shí)間過(guò)長(cháng)時(shí)，且其請求得不到滿(mǎn)足時(shí)，如何避免“死鎖“問(wèn)題。

（3）在緊急情況下，有一個(gè)操作要立即占用總線(xiàn)，此時(shí)，如何使它在最短的時(shí)間內獲得總線(xiàn)的控制權。

以上問(wèn)題在系統上表現為性能不穩定，經(jīng)常性死機，要解決這些問(wèn)題，必須選擇合適的總線(xiàn)仲裁機制，使其靈活、可靠地完成各種工作。

3.2 多CF卡總線(xiàn)仲裁機制 　　

總線(xiàn)仲裁機制包括總線(xiàn)仲裁策略和總線(xiàn)仲裁方式兩方面。我們要求仲裁機制公平、有效、全理，而且要結構簡(jiǎn)單，容易實(shí)現。這時(shí)我們主要討論仲裁方式，常見(jiàn)的仲裁方式有集中式和分布式兩種。所謂集中式仲裁中每個(gè)功能模塊有兩條線(xiàn)連到中央仲裁器：一條是送往仲裁器的總線(xiàn)請求信號線(xiàn)，一條是仲裁器送出的總線(xiàn)授權信號線(xiàn)。示意圖如下：

　　集中式仲裁方式的電路簡(jiǎn)單，速度快；但它的容錯能力差，魯棒性不夠好。

分布式仲裁不需要中央仲裁器，每個(gè)潛在的功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁器。共享的仲裁總線(xiàn)上總是保留著(zhù)當前占用總線(xiàn)模塊的仲裁號，當其它模塊有總線(xiàn)請求時(shí)，各仲裁器將從仲裁總線(xiàn)上得到的號與自己的號進(jìn)行比較。如果仲裁總線(xiàn)上的號大，則它的總線(xiàn)請求不予響應，并撤消它的仲裁號。最后，獲勝者的仲裁號保留在仲裁總線(xiàn)上。示意圖如下： 　　分布式仲裁方法雖然電路復雜一點(diǎn)，但容錯能力強，可擴展性好，當其中一部分出現故障時(shí)，不會(huì )影響其它的部分的工作。

3.3 本系統仲裁策略的解決方案 　　

本系統采用計數器定時(shí)查詢(xún)的仲裁策略，這是集中式仲裁方式的一種，其基本思想是，總線(xiàn)上的任一設備要求使用總線(xiàn)時(shí)，通過(guò)共同的請求線(xiàn)向中央仲裁器發(fā)出總線(xiàn)請求。仲裁器接到請求信號以后，在總線(xiàn)不忙的情況下，讓仲裁地址計數器開(kāi)始計數，計數值通過(guò)一組地址線(xiàn)發(fā)向各設備。每個(gè)設備接口都有一個(gè)設備地址判別電路，當地址線(xiàn)上的計數值與請求總線(xiàn)的設備地址相一致時(shí)，該設備把總線(xiàn)狀態(tài)設為占用，獲得了總線(xiàn)使用權，同時(shí)中止計數查詢(xún)。該方式的特點(diǎn)是計數靈活，既保證了仲裁的公平，也突出了重點(diǎn)。

這種方式很好決了總線(xiàn)沖突和“死鎖”的問(wèn)題。對于緊急占用的問(wèn)題，可以通過(guò)中斷廣播的方法來(lái)實(shí)現。即當有一個(gè)CF卡需要緊急服務(wù)時(shí)，它向所有的設備發(fā)出占用總線(xiàn)的中斷請求，其它設備檢查自己是否占用總線(xiàn)，如果占用，就馬上釋放；沒(méi)有占用，就繼續執行自己的操作。當緊急任務(wù)完成后，該CF卡再把總線(xiàn)控制權交給原來(lái)控制總線(xiàn)的設備。這樣就可以使各設備的優(yōu)先權得到保證。

4.具體的設計實(shí)現 　　

本系統中的多CF卡采用INTEL公司的PD6722作為主控。它是一個(gè)專(zhuān)門(mén)的從ISA總線(xiàn)擴展出兩個(gè)符合PCMCIA標準的芯片，不需要其它任何控制電路。它能直接管理地址在64K到16M之間，通過(guò)一個(gè)地址偏移量寄存器（存有所管理的地址的起始位置）把它映射到一個(gè)64M的地址上。通過(guò)擴展，可以方便地控制四個(gè)CF接口。而且它自身包含了仲裁邏輯電路，所以基本不需要另外的仲裁電路，這為設計帶來(lái)了很大的方便。

設計本系統的主要工作是對如何更加有效地種用總線(xiàn)。要使多個(gè)CF接口能夠協(xié)同工作，我們不但要做好硬件的設計，還要選擇良好的總線(xiàn)仲裁策略。設計示意圖如下： 　　這個(gè)系統直接連到系統的總線(xiàn)上，在加電的同時(shí)，總線(xiàn)首先由主控占用，并由主控對各個(gè)接口進(jìn)行初始化的配置，把相應的工作模式配置到各個(gè)端口，并為它們分發(fā)時(shí)間片和優(yōu)先級，然后用計數器定時(shí)查詢(xún)方式進(jìn)行工作。

由于本系統用了集中仲裁方式來(lái)控制總線(xiàn)，解決了總線(xiàn)沖突、“死鎖”和緊急服務(wù)的問(wèn)題，能夠保證系統的正常工作，達到了設計的要求。當然本系統也有脆弱的一面，主要體現在對主控的存賴(lài)度較高，如果主控芯片出了問(wèn)題，對本系統的打擊是致命的，這一點(diǎn)我們會(huì )在以后的工作中加以改進(jìn)。