目前,通過(guò)單片機(jī)去控制硬盤的ATA接口,大多采用PIO模式實(shí)現(xiàn),速度和性能上都不夠理想,硬盤與PC機(jī)的連接也相當(dāng)繁瑣。要頻繁地與PC機(jī)交換大量資料,采用USB硬盤是一個(gè)相當(dāng)好的解決方案。本文給出一個(gè)如何利用單片機(jī)完成對(duì)硬盤的讀寫,同時(shí)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(diǎn)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(gè)Hub層以及127個(gè)外設(shè),所有外設(shè)通過(guò)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(gè)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(guò)管道進(jìn)行的,管道的兩端連接host和device的端點(diǎn)BUFFER,BUFFER的大小直接影響通訊的速率。USB系統(tǒng)軟件通過(guò)缺省管道(與端點(diǎn)0相對(duì)應(yīng))管理設(shè)備,設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通過(guò)其它管道來(lái)管理設(shè)備的功能接口。每一個(gè)USB設(shè)備在主機(jī)看來(lái)就是一個(gè)端點(diǎn)的集合,主機(jī)只能通過(guò)端點(diǎn)與設(shè)備進(jìn)行通訊。在USB系統(tǒng)中,每一個(gè)端點(diǎn)都有唯一的地址,這是由設(shè)備地址和端點(diǎn)號(hào)給出的。每個(gè)端點(diǎn)都有一定的特性,其中包括:傳輸方式、總線訪問(wèn)頻率、帶寬、端點(diǎn)號(hào)、數(shù)據(jù)包的最大容量等。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同選擇相應(yīng)的端點(diǎn)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(jī)里設(shè)計(jì)的一個(gè)可由用戶編程的接口,具有快速、靈活等特點(diǎn),可使用多種協(xié)議完成與外圍器件的無(wú)縫連接,如EIDE/ATAPI、IEEE1284、Utopia等。對(duì)其可以根據(jù)需要進(jìn)行編程,且運(yùn)行中不需要CPU的干預(yù),僅通過(guò)一些CPU標(biāo)志和中斷與增強(qiáng)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(kuò)展存儲(chǔ)器的低位地址,在連續(xù)執(zhí)行GPIF動(dòng)作時(shí)具有自動(dòng)增一功能?？蓪?duì)其對(duì)應(yīng)的寄存器進(jìn)行讀寫(FX2系列中擴(kuò)充為9根地址線)。

    (2)RDY[5..0]:輸入Ready信號(hào),可對(duì)指定的信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣,以確定GPIF動(dòng)作繼續(xù)、等待或是反復(fù)不斷采樣,直到信號(hào)的指定狀態(tài)出現(xiàn)。通常用來(lái)等待指定信號(hào)的某個(gè)狀態(tài)出現(xiàn),然后繼續(xù)剩余動(dòng)作。

    (3)CTL[5..0]:輸出Control信號(hào),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(hào)、非總線輸出信號(hào),以及產(chǎn)生簡(jiǎn)單的脈沖信號(hào)。

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

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

    (6)GSTATE[2..0]:當(dāng)前GPIF狀態(tài)數(shù),可用來(lái)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(chǔ)區(qū)間0x7900～0x797F,存儲(chǔ)GPIF指令,可存儲(chǔ)4組波形的程序代碼(FX2系列存儲(chǔ)區(qū)間為0xE400～0xE47F)。

    每個(gè)GPIF動(dòng)作都由七段組成:Interval0～I(xiàn)nterval6,簡(jiǎn)稱I0～I(xiàn)6。執(zhí)行完I0~I6的動(dòng)作后,最后都進(jìn)入IDLE(I7),即空閑狀態(tài),以準(zhǔn)備啟動(dòng)下一次GPIF動(dòng)作。每個(gè)Interval可以定義為Non-Decision Interval,簡(jiǎn)稱NDP;或是Decision Point Interval,簡(jiǎn)稱DP。

    當(dāng)某個(gè)Interval定義為NDP,在執(zhí)行這個(gè)Interval動(dòng)作時(shí),只是簡(jiǎn)單地延時(shí),用來(lái)確定產(chǎn)生指定電平的延續(xù)時(shí)間;而當(dāng)Interval定義為DP時(shí),它將根據(jù)RDY0～RDY5上的輸入信號(hào)狀態(tài),以及內(nèi)部FIFO的可編程標(biāo)志和一個(gè)內(nèi)部自定義的Internal Ready標(biāo)志,將這些信號(hào)進(jìn)行邏輯與、邏輯或,或是進(jìn)行邏輯異或,根據(jù)得到的邏輯結(jié)果在I0～I(xiàn)6中選擇下一個(gè)即將執(zhí)行的Interval。在每個(gè)Interval執(zhí)行時(shí),都可指定CTL0～CTL5輸出用戶指定的狀態(tài)。通過(guò)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(shí)序電路的控制。

1.3 ATA接口

    ATA[3]接口是在ST506基礎(chǔ)上改進(jìn)而成的,它將控制器集成到驅(qū)動(dòng)器中,采用8個(gè)端口寄存器完成對(duì)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(qǐng)求方式與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。DMA傳輸模式分多點(diǎn)DMA和UDMA兩種方式,其不需要處理器參與整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程,而由I/O口直接將數(shù)據(jù)傳送到存儲(chǔ)器中,從而節(jié)約大量CPU時(shí)間,可更好地處理其他事務(wù)。UDMA中采用了冗余校驗(yàn)技術(shù)(CRC)。控制器對(duì)硬盤的操作分為兩種: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(duì)硬盤輸出控制命令前,程序需對(duì)端口完整輸出7字節(jié)的命令塊。其中前六個(gè)端口輸出為參數(shù),最后一個(gè)端口為命令碼。在讀寫數(shù)據(jù)端口時(shí),以512個(gè)字節(jié)作為數(shù)據(jù)塊進(jìn)行讀寫。硬盤執(zhí)行命令后,發(fā)出中斷請(qǐng)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(qǐng)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(cè)硬盤操作的成功與否。操作正常,則進(jìn)行下一次動(dòng)作;否則,進(jìn)入錯(cuò)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(lái)連接數(shù)據(jù)線DD[0..15],進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送;PA3連接RESET信號(hào)線,對(duì)硬盤進(jìn)行復(fù)位操作;ADR[0..2]與DA[0..2]連接,對(duì)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(jì)流程

    GPIF的程序存儲(chǔ)區(qū)可存儲(chǔ)4組波形的程序代碼。一般情況下存儲(chǔ)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(duì)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(shí),可以對(duì)程序區(qū)進(jìn)行讀寫操作,從而改變波形程序。對(duì)GPIF的編程,可采用CYPRESS公司提供的一個(gè)基于Windows界面的開發(fā)工具。這個(gè)工具使得對(duì)GPIF的編程成為一個(gè)填表式的選擇過(guò)程。對(duì)所有選項(xiàng)選擇完畢后,它將自動(dòng)生成C51的源代碼,完成初始化過(guò)程。現(xiàn)分別以EZ-USB FX系列和EZ-USB FX2系列中的GPIF為例,實(shí)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(diǎn)BUFFER最大也只能設(shè)置為64字節(jié)。因此,用此系列的GPIF實(shí)現(xiàn)ATA接口的PIO模式比較合適。GPIF程序存儲(chǔ)區(qū)分別存儲(chǔ)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(shí),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(shí),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(jī),采用BULK方式。在EZ-USB FX系列中,端點(diǎn)2支持BULK方式,且可以設(shè)置成雙緩沖模式。單字節(jié)讀過(guò)程中,總線寬度為8位,RDY0信號(hào)接IORDY引腳,在每個(gè)Interval中可以根據(jù)選定的PIO模式指定合適的延時(shí),也可以對(duì)IORDY信號(hào)采樣,直到指定狀態(tài)出現(xiàn)才繼續(xù)動(dòng)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(guò)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(shí)FIFO寬度為16,長(zhǎng)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(dòng)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(shí)間。在對(duì)一個(gè)扇區(qū)進(jìn)行操作時(shí),總共需要連續(xù)進(jìn)行256次讀寫。為此,設(shè)計(jì)一個(gè)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(duì)一個(gè)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(jìn)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(diǎn)大小可以設(shè)置為512字節(jié)或是1024字節(jié)。為實(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(dòng)作。此外,GPIF中還多了一項(xiàng)Re-execute功能,即重復(fù)執(zhí)行功能。設(shè)定此項(xiàng)后,GPIF可以不經(jīng)過(guò)IDLE狀態(tài)而根據(jù)采樣RDY信號(hào)重復(fù)下一次動(dòng)作,直到出現(xiàn)了指定的標(biāo)志位后才停止動(dòng)作。這項(xiàng)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(duì)一個(gè)或多個(gè)扇區(qū)的讀寫操作。為完成UDMA模式下的CRC校驗(yàn),FX2系列的芯片中還設(shè)置了特殊寄存器來(lái)完成CRC校驗(yàn)工作,具體使用詳見芯片技術(shù)手冊(cè)?？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(shí)現(xiàn)了USB-ATA的功能,并實(shí)現(xiàn)了PIO和UDMA兩種模式。在運(yùn)行中,GPIF不需要CPU的干預(yù),僅通過(guò)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(jìn)行其他擴(kuò)展,從而實(shí)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。