基于單片機的MicroDrive接口設計

摘要：介紹了ＩＢＭ的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的基本結構和工作原理，詳細說明了ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ接口設計的關鍵技術；以ＡＴ８９Ｃ５２型單片機為基礎，設計完成了ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的接口電路，正確實現了對ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅｒ的讀寫及數據管理等功能。關鍵詞：ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ 單片機 近幾年，各種大容量的小型存儲器不斷涌現，在便攜式設備中獲得了廣泛的應用。目前常見的存儲卡類型有：１Ｓｍａｒｔ Ｍｅｄｉａ Ｃａｒｄ２ＭｅｍｏｒｙＳｔｉｃｋ３ＭｕｌｔｉＭｅｄｉａ Ｃａｒｄ４ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ Ｔｙｐｅ Ｉ Ｃａｒｄ５ＩＢＭ的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ等。各存儲卡在容量、功耗、體積上各有特色，但ＩＢＭ的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ尤為出色。 ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ是由ＩＢＭ日本分公司研發生產出來的產品，其接口符合ＣＦＡ（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）協會制定的ＣＦ＋ Ｔｙｐｅ ＩＩ 規范，具有容量大（１７０ＭＢ～３ＧＢ）、體積小（４２．８ｍｍ%26;#215;３６．４ｍｍ%26;#215;５．０ｍｍ）、性價比高、耗電量小等特點，已在數碼相機、筆記本電腦、掌上電腦、便攜式音樂播放器等設備的存儲中獲得了較廣泛的應用。 目前市面上已有多家國內外公司生產出操作ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的接口（如ＩＢＭ公司），但其價格較高。為降低成本，實現對ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的數據訪問和管理功能，本文給出了一種基于單片機的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ接口設計。１ ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ介紹 ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ各性能參數如下： %26;#183;容量(ＭＢ)：１０００／５１２／３４０； %26;#183;緩沖區大小：１２８字節； %26;#183;扇區大小(字節)：５１２； %26;#183;盤片數量：１； %26;#183;平均尋道時間：１２ｍｓ； %26;#183;平均等待時間：８．３３ｍｓ； %26;#183;最大內部數據傳輸速率：５９．９ＭＢ／ｓ； %26;#183;最大外部數據傳輸速率：１３．３ＭＢ／ｓ； 接口：ＣＦ＋兼容ＡＴＡ和ＰＣＭＣＩＡ 數據密度ＧＢ／平方英寸：１５．２； 大小：５ｍｍ%26;#215;４３ｍｍ%26;#215;３５ｍｍ； 重量：１７克； 磁盤旋轉速度：３６００ＲＰＭ。 主要特點有： %26;#183;體積小、重量輕、容量大； %26;#183;可靠性高，有效的數據保護及數據編碼技術，使得其出錯率極低； %26;#183;讀寫速度快，連續讀寫速率最高可達４．２ＭＢ／ｓ，抗沖擊（１５００Ｇ），耐震動（５Ｇ）； %26;#183;兼容性好，支持３．３Ｖ或５Ｖ工作電壓，具有廣闊的使用范圍。 ２ ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ硬件接口設計 ２．１ ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ接口簡介及訪問模式的選擇 ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的接口符合ＣＦ＋ Ｔｙｐｅ ＩＩ標準，支持３．３Ｖ或５Ｖ直流工作電壓，提供了完整的ＰＣＭＣＩＡ－ＡＴＡ功能且通過ＡＴＡ／ＡＴＡＰＩ－４兼容ＴｒｕｅＩＤＥ。但與６８針接口的ＰＣＭＣＩＡ卡不同的是，同樣遵從ＡＴＡ協議的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ 接口只有５０針，采用５０腳雙列０．０５英寸間距標準接口（管腳排列如表１所示）。表1 MicroDrive管腳排列 管腳號名 稱管腳號名 稱管腳號名 稱Pin1GNDPin18A02Pin35IOWRPin2D03Pin19A01Pin36WEPin3D04Pin20A00Pin37RDY/BSYPin4D05Pin21D00Pin38VCCPin5D06Pin22D01Pin39CSELPin6D07Pin23D02Pin40VS2Pin7CE1Pin24WPPin41RESETPin8A10Pin25CD2Pin42WAITPin9OEPin26CD1Pin43INPACKPin10A09Pin27D11Pin44REGPin11A08Pin28D12Pin45BVD2Pin12A07Pin29D13Pin46BVD1Pin13VCCPin30D14Pin47D08Pin14A06Pin31D15Pin48D09Pin15A05Pin32CE2Pin49D10Pin16A03Pin33VS1Pin50GNDPin17A04Pin34IORD　　對ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ，數據都是以５１２字節的扇區單元進行操作，能夠通過ＩＤＥ、Ｍｅｍｏｒｙ等模式對其進行訪問。 雖然ＩＤＥ模式被廣泛應用于計算機硬盤的接口中，同時也被經常應用于嵌入式系統中，得到絕大多數的ＢＩＯＳ和工業單板機的支持；但是ＩＤＥ模式涉及復雜的文件管理，使得控制操作相對復雜，不符合簡單可行的設計要求。 本系統由單片機實現嵌入式設計。而Ｍｅｍｏｒｙ模式是ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的默認模式，可以避免繁瑣的寄存器設置，同時支持８位數據帶寬，控制操作相對簡單，可以極大地簡化設計，節省系統的資源。故本系統采用Ｍｅｍｏｒｙ模式。 ２．２ 硬件接口 本系統電路連接框圖如圖１所示，主要包含以下五部分： （１）ＡＴ８９Ｃ５２ ＡＴ８９Ｃ５２擁有比８０５１多一倍的數據存儲器（２５６字節的ＲＡＭ），擁有８Ｋ字節內部只讀存儲器（ＲＯＭ），操作命令以及各引腳與８０５１基本一致。在本系統中，ＡＴ８９Ｃ５２的作用至關重要，它擔負著與外部的通信及實現對ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的各種操作。 （２）外部數據存儲器 外部數據存儲器主要用作硬盤數據讀寫的緩存，因而必須具有非易失性、簡便的操作及合適的容量。６２ＨＣ６４容量為８ＫＢ具有非易失性、功耗低等特點。 （３）通信電平轉換芯片 ＲＳ２３２Ｃ是目前異步串行通信中應用最廣泛的標準總線，適用于數據中斷設備（ＤＴＥ）和數據通信設備（ＤＣＥ）之間的接口；而單片機使用ＴＴＬ電平，兩者互不兼容。因而使用了ＭＡＸ２３２電平轉換芯片對它們的通信電平進行轉換，作為對外的通信接口。 （４）ＣＦ＋適配口 使用了標準５０針ＣＦ＋適配口。 （５）地址鎖存器７４ＬＳ３７３和地址譯碼器７４ＬＳ１３８ 其中Ａｄｄｒｅｓｓ／Ｄａｔａ（０～７）為復用的８位數據或低８位地址總線，Ａｄｄｒｅｓｓ（８～１２）為用于尋址６２ＨＣ６４的高５位地址線，Ａｄｄｒｅｓｓ（１３～１５）接至７４ＨＣ１３８，用作外部數據存儲器６２ＨＣ６４及ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ 的片選信號；Ｒｅｓｅｔ（ＲＥＳＥＴ）信號與ＡＴ８９Ｃ５２的ＲＥＳＥＴ腳連接，以達到同步復位的目的，上電復位后，ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ自動進入默認的Ｍｅｍｏｒｙ 模式；ＲＥＧ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ信號用于選擇訪問ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的Ａｔｔｉｒｉｂｕｔｅ Ｍｅｍｏｒｙ（低電平）或Ｃｏｍｍｏｎ Ｍｅｍｏｒｙ（高電平）；對于ＣＥ１與ＣＥ２（Ｃａｒｄ Ｅｎａｂｌｅ），因為只有一塊ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ，故將ＣＥ２接高電平，ＣＥ１接７４ＬＳ１３８的Ｙ７腳；ＯＥ、為讀寫有效信號，與ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ３．７（ＲＤ）、Ｐ３．６（ＷＲ）相連；ＲＤＹ／ＢＳＹ（Ｒｅａｄｙ／Ｂｕｓｙ）ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ 的閑忙狀態信號，當ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ忙時，該腳為低電平，不能對ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ做任何操作，與ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ３．２相連，以便可通過軟件檢測此位，判定ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的閑忙狀態；ＷＡＩＴ（Ｗａｉｔ）信號的有效意味著一個操作進程正在完成過程中，把它與Ｐ１．７相連，以便檢測；ＣＤ１、ＣＤ２（Ｃａｒｄ Ｄｅｔｅｃｔ）用于ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的存在檢測，與ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ３．２、Ｐ３．３相連；ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ３．０（ＲＸＤ）用作串行通信輸入，接ＭＡＸ２３２的１２腳（Ｒ１ＯＵＴ），用于接收通過ＭＡＸ２３２送來的數據，Ｐ３．１（ＴＸＤ）用作串行通信輸出，接ＭＡＸ２３２的１１腳（Ｔ１ＩＮ），通過ＭＡＸ２３２送出數據。 ３ 軟件設計 ３．１ 主要寄存器簡介 ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ內幾個涉及到的操作寄存器，如表２所示。表2 MicroDrive主要寄存器 偏移地址名 稱說 明000HDATA REG數據寄存器001HERROR REG出錯狀態寄存器002HSECTOR COUNT REG扇區數目寄存器003HLBA 0～7邏輯塊尋址地址0～7位004HLBA 8～15邏輯塊尋址地址8～15位005HLBA 16～23邏輯塊尋址地址16～23位006HLBA 24～27邏輯塊尋址地址24～27位007HSTATUS REG讀取時為狀態寄存器007HCOMMAND REG寫入時為命令寄存器３．２ 軟件設計簡述 硬件設計好后，可以通過軟件驅動接口電路讀寫ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ。軟件流程如圖２所示。首先進行測試以確定所有端口及信號的極性正確。由于Ｍｅｍｏｒｙ模式是缺省模式，其使用前的檢測就變得相當簡單。主要把軟件分成以下幾部分： （１）檢測ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ 首先，確定ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ是否已正確插入插槽。這需要檢測Ｃａｒｄ Ｄｅｔｅｃｔ引腳，即將Ｐ３．２、Ｐ３．３的狀態讀入。如果兩個都為０，就表示ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ已正確插入適配口；否則表明未正確插入，需要重新插入。 其次，在確定ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ已正確插入后，開始檢測其狀態。從Ｃｏｍｍｏｎ Ｍｅｍｏｒｙ的偏移地址為００７Ｈ的狀態寄存器中讀取ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的狀態信號，如果ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ被正確Ｒｅｓｅｔ了，讀到的數據應該是５０Ｈ，意味著ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ已能使用并準備接收命令；否則證明有錯誤，應重新Ｒｅｓｅｔ。 最后，當ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的狀態證實無誤并處于Ｍｅｍｏｒｙ模式時，就可以發送診斷命令字（Ｅｘｅｃｕｔｅ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ：９０Ｈ）到命令寄存器（偏移地址為００７Ｈ）中。這一命令將會根據ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的當前情況重置狀態寄存器００７Ｈ（與命令寄存器的地址相同），當出錯時，出錯位將會被置１，此時檢查錯誤狀態寄存器（偏移地址為００１Ｈ）將會得到詳盡的出錯信息；而一旦無錯誤，便可對ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ進行操作了。 （２）數據的讀取 為了達到此目的，首先，將要操作的扇區地址寫入偏移地址為００３Ｈ～００６Ｈ的邏輯塊尋址寄存器中，再將要操作的扇區數目寫入偏移地址為００２Ｈ的扇區數目寄存器中，接著就發送讀命令字（２０Ｈ）到命令寄存器中，當寫入命令后，ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ會將ＢＵＳＹ狀態置１作為響應。 然后，ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ從存儲扇區中讀出數據放入其緩存單元中，并將ＤＲＱ狀態位置１，清ＢＵＳＹ以表示數據已準備好。因此只需檢查ＤＲＱ狀態即可。當ＤＲＱ為１時，便可從ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的緩存中讀出數據；當所有數據讀完后，ＤＲＱ將會清０，ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ又轉回準備狀態，可進行下一步操作。 （３）數據的寫入 與讀數據的操作類似，首先，將數據準備在數據緩存區（外部ＲＡＭ６２ＨＣ６４）中，將要操作的扇區地址寫入偏移地址為００３Ｈ～００６Ｈ的邏輯塊尋址寄存器中，將要操作的扇區數目寫入偏移地址為００２Ｈ的扇區數目寄存器中，接著發送寫命令字（３０Ｈ）到命令寄存器中。圖2 單片機軟件流程圖然后，檢測ＤＲＱ的狀態（此時ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ置ＢＵＳＹ狀態為１，接著置ＤＲＱ為１，清ＢＵＳＹ）。當檢測到ＤＲＱ為１時，便可將數據緩存區（外部ＲＡＭ６２ＨＣ６４）中的數據寫入ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的緩存單元。當ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ檢測到數據寫入其緩存中，置ＢＵＳＹ為１，清ＤＲＱ并根據地址將數據寫入；當數據寫完后，清ＢＵＳＹ狀態位，重新回到準備狀態，準備執行下一次操作。 在讀寫操作中，對進程起控制作用的是ＤＲＱ這一狀態位，其檢測程序如下： ｖｏｉｄ ｗａｉｔ＿ｄｒｑｖｏｉｄ  ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ａ ａ＝ＸＢＹＴＥ０ｘＥ００７ ／／讀取狀態寄存器的值 ｉｆａ＆０ｘ０１＝＝１ ｅｒｒｏｒ ／／若出錯位為１轉出錯處理 ｗｈｉｌｅａ＆０ｘｆ８＝０ｘ５８ ａ＝ＸＢＹＴＥ０ｘＥ００７ ／／查詢ＤＲＱ位不為１則循環等待  （４）數據的擦除 為達到此目的，首先將要操作的扇區地址寫入偏移地址為００３Ｈ～００６Ｈ的邏輯塊尋址寄存器中，再將要操作的扇區數目寫入偏移地址為００２Ｈ的扇區數目寄存器中，接著發送擦除命令字（０Ｃ０Ｈ）到命令寄存器當中，執行完擦除命令后，讀出的值全為０。 本文介紹的基于單片機的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ接口設計，成功地實現了操作ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的常用命令和對ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的８位格式的操作。經過測試，此接口也可以對ＣＦ Ｔｙｐｅ Ｉ卡（如ＳａｎＤｉｓｋ公司的ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ卡）進行正確操作，從而提高了應用系統的兼容性，具有較廣泛的應用價值，目前已準備在便攜式的動態腦電、動態心電上使用，同時可用于ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ或ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ卡作為存儲器使用的便攜式電子設備中。