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CF卡與雙核DSP的實(shí)現(xiàn)
摘要：介紹了目前PC機(jī)中最為流行的硬盤接口技術(shù)和磁盤文件管理系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了雙核TMS320VC5421與CompactFlash存儲卡的接口，解決了嵌入式系統(tǒng)普遍存在的數(shù)據(jù)空間狹小的問題。關(guān)鍵詞：DSPIDE接口硬盤文件管理系統(tǒng)CompactFlash存儲卡
目前，許多工業(yè)檢測系統(tǒng)要求其前端設(shè)備能實(shí)時采集大量數(shù)據(jù)，有些系統(tǒng)甚至還要求其前端設(shè)備能夠完成實(shí)時的數(shù)據(jù)處理。因此一般工業(yè)檢測系統(tǒng)將其前端嵌入式系統(tǒng)與一臺PC機(jī)相連或其前端設(shè)備就是一臺PC機(jī)，再通過網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給主控制系統(tǒng)。這類工業(yè)檢測系統(tǒng)體積較大且對外部的環(huán)境要求高。
本文實(shí)現(xiàn)了TMS320VC5421與CompactFlash存儲卡（以下簡稱CF卡）的接口。利用DSP的高速數(shù)字信號處理能力可完成數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和處理；利用CF卡的容量大、非易失性和即插即用的特性可完成數(shù)據(jù)保存和傳輸。因此TMS320VC5401與CF卡的接口在工業(yè)檢測前端系統(tǒng)的應(yīng)用中有很好的前景。
1TMS320VC5421芯片介紹
數(shù)字信號處理器（DSP）是數(shù)字信號處理理論與超大規(guī)模集成電路（VLSI）技術(shù)融合的結(jié)晶。TMS320VC5421更是定點(diǎn)系列DSP中的佼佼者。其系統(tǒng)框架如圖1所示。
TMS320VC5421有4個主要特點(diǎn)：
（1）TMS320VC5421包含兩個獨(dú)立的DSP子系統(tǒng)。每個子系統(tǒng)都有獨(dú)立的程序空間、數(shù)據(jù)空間和I/O空間，且每個子系統(tǒng)分別具有片內(nèi)4套總線即4條地址總線、4條數(shù)據(jù)總線（3種數(shù)據(jù)總線用來訪問片內(nèi)數(shù)據(jù)空間，1條數(shù)據(jù)總線用來訪問程序空間）和2個地址發(fā)生輔助寄存器來實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算和并行存儲功能，提高CPU的運(yùn)算效率。
（2）TMS320VC5421的每一個子系統(tǒng)都有6個獨(dú)立的DMA通道，且可對每個DMA通道進(jìn)行獨(dú)立編程。TMS320VC5421的兩個子系統(tǒng)的所有程序空間、數(shù)據(jù)空間和I/O空間都在每個DMA通道的尋址范圍內(nèi)。
（3）TMS320VC5421的工作頻率最高可達(dá)到100MIPS，且兩個子系統(tǒng)的工作時鐘統(tǒng)一由子系統(tǒng)A控制。
（4）TMS320VC5421的兩個子系統(tǒng)之間同步信號可以由IPIRQ中斷提供。
TMS320VC5421有3種方式實(shí)現(xiàn)不同子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸：
�。�1）將數(shù)據(jù)存放在兩個子系統(tǒng)共享的128KB程序空間中，由共享的128KB程序空間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。
�。�2）將數(shù)據(jù)存放在與兩個系統(tǒng)分別相連的16字的FIFO中，由FIFO實(shí)現(xiàn)兩個子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞。
�。�3）通過DMA將數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺我庾酉到y(tǒng)的任意空間。
2CompactFlash存儲卡產(chǎn)品介紹
CompactFlash技術(shù)是由CompactFlash協(xié)會（CFA）提出的一種與PC機(jī)的ATA接口標(biāo)準(zhǔn)兼容的新技術(shù)，它致力于開發(fā)一種先進(jìn)的、速度快、容量大、體積小、質(zhì)量輕、功耗低且可移動的數(shù)字信息存儲產(chǎn)品。
由圖2可知，CF卡包含兩個基本部分：片內(nèi)的芯片控制器和片內(nèi)的存儲模塊。片內(nèi)的存儲模塊用來存儲數(shù)字信息，片內(nèi)的芯片控制器用來實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的接口及控制數(shù)據(jù)在存儲模塊中的傳輸。
2.1CF卡控制器
CF卡控制器中包含兩組寄存器：命令寄存器和控制寄存器。命令寄存器用來接受命令和傳輸數(shù)據(jù)；控制寄存器用作磁盤控制。這兩個寄存器組通過REG信號進(jìn)行區(qū)分。控制寄存器組主要用于控制CF卡的工作方式；命令寄存器組被分配在與ATA標(biāo)準(zhǔn)兼容的地址空間。當(dāng)CF卡工作在I/O方式下，命令寄存器組的地址空間為IF0H～1F7H和3F6H～3F7H；當(dāng)CF卡工作在寄存器方式下，命令寄存器組的地址空間為1F0H～1FFH。
當(dāng)CF卡工作在存儲器方式下，CF卡按照ATA標(biāo)準(zhǔn)以寄存器方式傳送數(shù)據(jù)、命令和地址。些寄存器除數(shù)據(jù)寄存器為16位外，其它寄存器均為8位。
數(shù)據(jù)寄存器（R/W）：這是一個16位數(shù)據(jù)寄存器，用于對扇區(qū)的讀寫操作。主機(jī)通過該寄存器向CF卡卡控制器寫入或從CF卡控制寄存器讀出扇區(qū)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)。
錯誤寄存器（R）和特性寄存器（W）：錯誤寄存器反映控制寄存器在診斷方式或操作方式下的錯誤原因。特性寄存器一般不使用。
扇區(qū)數(shù)寄存器（R/W）：用來記錄讀、寫命令的扇區(qū)數(shù)目。
扇區(qū)號寄存器（R/W）：用來記錄讀、寫和校驗(yàn)命令指定的起始扇區(qū)號。
柱面號寄存器（R/W）：用來記錄讀、寫、校驗(yàn)和尋址命令指定的柱面號。
驅(qū)動器/磁頭寄存器（R/W）：記錄讀、寫、校驗(yàn)和尋道命令指定的驅(qū)動器號、磁頭號和尋址方式（CHS模式或LBA模式）。
狀態(tài)寄存器（R）和命令寄存器（W）：狀態(tài)寄存器反映CF卡驅(qū)動器執(zhí)行命令后的狀態(tài)，讀該寄存器要清除中斷請求信號。命令寄存器接收主機(jī)發(fā)送的CF卡工作的命令控制字[1]。
2.2CF卡的編址方式
CF卡的扇區(qū)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(qū)號表示一個特定的扇區(qū)。起始扇區(qū)是0磁道、0磁頭、1扇區(qū)，接下來是2扇區(qū)，一直到EOF扇區(qū)；接下來是同一柱面1頭、1扇區(qū)等。邏輯尋址方式將整個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(shù)+磁頭號)×扇區(qū)數(shù)+扇區(qū)數(shù)-1
采用邏輯尋址方式，沒有磁頭和磁道的轉(zhuǎn)換操作，因此在訪問連續(xù)扇區(qū)時，操作速度比物理尋址方式塊。
3磁盤文件管理系統(tǒng)簡介
為了能夠?qū)Υ笕萘看疟P上的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理，Win9X在磁盤上建立了一個文件系統(tǒng)。該文件系統(tǒng)可對磁盤上的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理。
磁盤文件系統(tǒng)將整個磁盤劃分為4個獨(dú)立的區(qū)域，每個區(qū)域包含磁盤的獨(dú)立信息，且這4個獨(dú)立區(qū)域中的信息組合成一個完整有效的磁盤文件管理系統(tǒng)，如表1所示。
表1磁盤文件管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
DOS引導(dǎo)扇區(qū)文件分配區(qū)（FAT）根目標(biāo)區(qū)（FDT）文件數(shù)據(jù)區(qū)
�。�1）DOS引導(dǎo)扇區(qū)：該扇區(qū)是磁盤的引導(dǎo)扇區(qū)，包含一些重要的磁盤系統(tǒng)信息，如：磁盤總共包含多少個扇區(qū)，每個族包含多少個扇區(qū)，每個扇區(qū)包含多少個字節(jié)等。通過這些磁盤系統(tǒng)信息可以計(jì)算出磁盤的容量、FAT表和FDT表的起始位置以及文件數(shù)據(jù)存放的起始位置等。
�。�2）文件分配區(qū)（FAT）：文件分配區(qū)包含兩個完全相同的FAT表，其中一個FAT表用作備份FAT。每個FAT表以16字節(jié)為個單元。FAT的每一個單元都映射磁盤上的一個簇，其中的值就反映了該簇的使用情況。
�。�3）根目錄區(qū)（FDT）：根目錄區(qū)專用來存放根目錄下的文件信息。根目錄下的每一個文件在該目錄區(qū)都對應(yīng)一個32字節(jié)的目錄項(xiàng)。這32字節(jié)的目錄項(xiàng)包含文件的名稱、屬性、文件的長度、文件在磁盤上的起始簇號、文件建立和最后修改和日期和時間等。這些32字節(jié)的小單元互相首尾相接，中間沒有任何分隔標(biāo)志。
�。�4）文件數(shù)據(jù)區(qū)：該區(qū)是磁盤存放所有信息的場所為了便于管理，文件管理系統(tǒng)以簇為單位將文件分配在文件數(shù)據(jù)區(qū)的存儲空間。1族總是2n個連續(xù)扇區(qū)。文件在文件數(shù)據(jù)區(qū)存放的起始位置存放在其對應(yīng)目錄下的FDT表中，當(dāng)文件的長度大于1K時，文件數(shù)據(jù)區(qū)的后續(xù)位置保存在FAT表中，即對應(yīng)的FAT單元中的數(shù)值就是文件的后續(xù)部分所存放位置的簇號。
文件管理系統(tǒng)通過以上4個區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對磁盤上的文件進(jìn)行有效的管理。文件管理系統(tǒng)將文件數(shù)據(jù)存放在文件數(shù)據(jù)區(qū)，將文件的屬性存放在文件對應(yīng)目錄下的FDT表中，將文件的存放位置存放在FAT表中。因此文件管理系統(tǒng)通過FAT表和FDT表可以很方便地對文件數(shù)據(jù)區(qū)的文件進(jìn)行管理。
4TMS320VC5421與CF卡的硬件接口
TMS320VC5421對外有I/O、程序和數(shù)據(jù)3個并行的16位訪問空間，分別由對應(yīng)的空間選擇信號線選通。本硬件電路選用TMS320VC5421的I/O空間與CF卡接口，采用數(shù)據(jù)線分時復(fù)用方式。
如圖3所示，本電路使用DSP子系統(tǒng)A與前向通道相連。DSP子系統(tǒng)A對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理，完成數(shù)據(jù)的實(shí)時處理后，通過核間的3種數(shù)據(jù)傳輸方式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到DSP子系統(tǒng)B中，并且通過核間中斷IPIRQ通知DSP子系統(tǒng)B可以存儲CF卡。
4.1CF卡即插即用的實(shí)現(xiàn)
�。�1）硬件提供判斷條件。CF卡為了實(shí)現(xiàn)即插即用的功能，在自身電路上提供了兩個用來檢測CF卡是否存在的管腳（CD1、CD2）。CD1和CD2的有效電平為低電平，即當(dāng)主機(jī)檢測到與其相連的CD1和CD2兩個管腳同時為低電平時，可判斷出CF卡與主機(jī)相連；當(dāng)主機(jī)檢測到與其相連的CD1和CD2有一個管腳不為低，則可判斷出CF卡未與主機(jī)相連。
�。�2）軟件實(shí)現(xiàn)。首選定義全局變量（如：IsExist）用于記錄CF卡是否與主機(jī)相連，當(dāng)IsExist為0時表示CF卡未與主機(jī)相連；當(dāng)IsExist為1時表示CF卡與主機(jī)相連。其次在每次操作CF卡時檢測CF卡的CD1和CD2管腳。當(dāng)檢測到CD1和CD2管腳為低電平且IsExist為0時復(fù)位CF卡，重新檢測CF卡的FAT表統(tǒng)計(jì)還剩余多少空間可以分配，檢測完FAT表后置變量IsExist為1。當(dāng)檢測到CD1和CD2管腳為低電平且IsExist為1時，繼續(xù)CF卡的正常操作。當(dāng)檢測到CD1和CD2為高時，停止CF卡操作，置變量IsExist為0。
4.2文件的存儲
向CF卡創(chuàng)建文件的流程如圖4所示。在CF卡初始化后（包含CF卡上電復(fù)位和統(tǒng)計(jì)剩余空間等），DSP向CF卡存儲數(shù)據(jù)的核心部分就是首先向一些必要的寄存器填寫必要的信息，如向扇區(qū)號寄存器填寫讀寫數(shù)據(jù)的起始扇區(qū)號（LBA地址）和扇區(qū)數(shù)寄存器填寫讀寫數(shù)據(jù)所占的扇區(qū)個數(shù)等。然后向CF卡的命令寄存器寫入CF卡操作的命令字，如寫操作則向CF卡的命令寄存器寫入30H，讀操作向CF卡的命令寄存器寫入20H等。
本文介紹的TMS320VC5421與CF卡的接口電路已在實(shí)際印刷電路板上成功實(shí)現(xiàn)，該小型系統(tǒng)在工業(yè)設(shè)備的前端電路中具有廣闊的應(yīng)用前景。
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