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,速度和性能上都不夠理想,硬盤與PC機的連接也相當繁瑣。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準,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,所有外設通過協議共享USB的帶寬。目前使用中的USB協議有1.0、1.1和2.0三個版本,通訊速率分別為1.5Mbps、12Mbps、480Mbps,USB協議向下兼容。

    從邏輯結構上講,USB數據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)管理設備,設備驅動程序通過其它管道來管理設備的功能接口。每一個USB設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、數據包的最大容量等。根據應用場合的不同選擇相應的端點類型。USB數據流模型見圖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。對其可以根據需要進行編程,且運行中不需要CPU的干預,僅通過一些CPU標志和中斷與增強型8051內核通訊。GPIF與8051內核的關系見圖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募拇嫫鬟M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)、等待或是反復不斷采樣,直到信號的指定狀態(tài)出現。通常用來等待指定信號的某個狀態(tài)出現,然后繼續(xù)剩余動作。

    (3)CTL[5..0]:輸出Control信號,根據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,以及產生簡單的脈沖信號。

    (4)FD[15..0]:雙向FIFO數據線,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部48MHz或30MHz時鐘周期。

    (6)GSTATE[2..0]:當前GPIF狀態(tài)數,可用來判斷當前GPIF工作狀態(tài),一般調試用。

    (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,用來確定產生指定電平的延續(xù)時間;而當Interval定義為DP時,它將根據RDY0～RDY5上的輸入信號狀態(tài),以及內部FIFO的可編程標志和一個內部自定義的Internal Ready標志,將這些信號進行邏輯與、邏輯或,或是進行邏輯異或,根據得到的邏輯結果在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以及內部一些標志位的組合,能完成各種復雜的時序電路的控制。

1.3 ATA接口

    ATA[3]接口是在ST506基礎上改進而成的,它將控制器集成到驅動器中,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責信息的傳輸,以扇區(qū)為單位,用中斷請求方式與處理器進行數據交換。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據傳輸過程,而由I/O口直接將數據傳送到存儲器中,從而節(jié)約大量CPU時間,可更好地處理其他事務。UDMA中采用了冗余校驗技術(CRC)?？刂破鲗τ脖P的操作分為兩種:8位數據的命令操作和16位數據的數據傳輸操作。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,最后一個端口為命令碼。在讀寫數據端口時,以512個字節(jié)作為數據塊進行讀寫。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(數據傳輸)。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數據線,用來連接數據線DD[0..15],進行數據的傳送;PA3連接RESET信號線,對硬盤進行復位操作;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位的數據傳輸模式下。

3 軟件設計流程

    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?，F分別以EZ-USB FX系列和EZ-USB FX2系列中的GPIF為例,實現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最大也只能設置為64字節(jié)。因此,用此系列的GPIF實現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,選擇數據寬度為8位,完成命令傳輸操作。多字節(jié)讀、寫操作時,選擇數據寬度為16位,完成數據傳輸操作。USB數據上傳給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)出現才繼續(xù)動作。圖3是根據PIO模式4采用GPIF產生的單字節(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,數據傳輸則采用多字節(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,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,設計一個連續(xù)64次讀寫的多字節(jié)讀寫操作程序,調用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端點大小可以設置為512字節(jié)或是1024字節(jié)。為實現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,數據的傳送不再需要CPU的參與。當端點BUFFER寫滿后,置BUFFER滿標志位,而GPIF則根據此標志位停止讀寫動作。此外,GPIF中還多了一項Re-execute功能,即重復執(zhí)行功能。設定此項后,GPIF可以不經過IDLE狀態(tài)而根據采樣RDY信號重復下一次動作,直到出現了指定的標志位后才停止動作。這項功能一般用于大批量數據的連續(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了USB-ATA的功能,并實現了PIO和UDMA兩種模式。在運行中,GPIF不需要CPU的干預,僅通過一些CPU標志和中斷與8051內核通訊,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、數據線都未用到。因此,在此方案上還可以進行其他擴展,從而實現基于硬盤的大容量數據采集系統(tǒng),應用于某些特殊環(huán)境下的數據采集。