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标题: 基于单片机的MicroDrive接口设计 [打印本页]
作者: liyf    时间: 2014-10-5 10:51
标题: 基于单片机的MicroDrive接口设计
基于单片机的MicroDrive接口设计


摘要：介绍了ＩＢＭ的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的基本结构和工作原理，详细说明了ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ接口设计的关键技术；以ＡＴ８９Ｃ５２型单片机为基础，设计完成了ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的接口电路，正确实现了对ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅｒ的读写及数据管理等功能。    关键词：ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ 单片机
近几年，各种大容量的小型存储器不断涌现，在便携式设备中获得了广泛的应用。目前常见的存储卡类型有：１Ｓｍａｒｔ Ｍｅｄｉａ Ｃａｒｄ２ＭｅｍｏｒｙＳｔｉｃｋ３ＭｕｌｔｉＭｅｄｉａ Ｃａｒｄ４ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ Ｔｙｐｅ Ｉ Ｃａｒｄ５ＩＢＭ的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ等。各存储卡在容量、功耗、体积上各有特色，但ＩＢＭ的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ尤为出色。
ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ是由ＩＢＭ日本分公司研发生产出来的产品，其接口符合ＣＦＡ（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）协会制定的ＣＦ＋ Ｔｙｐｅ ＩＩ 规范，具有容量大（１７０ＭＢ～３ＧＢ）、体积小（４２．８ｍｍ×３６．４ｍｍ×５．０ｍｍ）、性价比高、耗电量小等特点，已在数码相机、笔记本电脑、掌上电脑、便携式音乐播放器等设备的存储中获得了较广泛的应用。
目前市面上已有多家国内外公司生产出操作ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的接口（如ＩＢＭ公司），但其价格较高。为降低成本，实现对ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的数据访问和管理功能，本文给出了一种基于单片机的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ接口设计。

１ ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ介绍
ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ各性能参数如下：
·容量(ＭＢ)：１０００／５１２／３４０；
·缓冲区大小：１２８字节；
·扇区大小(字节)：５１２；
·盘片数量：１；
·平均寻道时间：１２ｍｓ；
·平均等待时间：８．３３ｍｓ；
·最大内部数据传输速率：５９．９ＭＢ／ｓ；
·最大外部数据传输速率：１３．３ＭＢ／ｓ；
接口：ＣＦ＋兼容ＡＴＡ和ＰＣＭＣＩＡ
数据密度ＧＢ／平方英寸：１５．２；
大小：５ｍｍ×４３ｍｍ×３５ｍｍ；
重量：１７克；
磁盘旋转速度：３６００ＲＰＭ。
主要特点有：
·体积小、重量轻、容量大；
·可靠性高，有效的数据保护及数据编码技术，使得其出错率极低；
·读写速度快，连续读写速率最高可达４．２ＭＢ／ｓ，抗冲击（１５００Ｇ），耐震动（５Ｇ）；
·兼容性好，支持３．３Ｖ或５Ｖ工作电压，具有广阔的使用范围。
２ ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ硬件接口设计
２．１ ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ接口简介及访问模式的选择
ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的接口符合ＣＦ＋ Ｔｙｐｅ ＩＩ标准，支持３．３Ｖ或５Ｖ直流工作电压，提供了完整的ＰＣＭＣＩＡ－ＡＴＡ功能且通过ＡＴＡ／ＡＴＡＰＩ－４兼容ＴｒｕｅＩＤＥ。但与６８针接口的ＰＣＭＣＩＡ卡不同的是，同样遵从ＡＴＡ协议的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ 接口只有５０针，采用５０脚双列０．０５英寸间距标准接口（管脚排列如表１所示）。

表1 MicroDrive管脚排列
管脚号名  称管脚号名  称管脚号名  称
Pin1GNDPin18A02Pin35IOWR
Pin2D03Pin19A01Pin36WE
Pin3D04Pin20A00Pin37RDY/BSY
Pin4D05Pin21D00Pin38VCC
Pin5D06Pin22D01Pin39CSEL
Pin6D07Pin23D02Pin40VS2
Pin7CE1Pin24WPPin41RESET
Pin8A10Pin25CD2Pin42WAIT
Pin9OEPin26CD1Pin43INPACK
Pin10A09Pin27D11Pin44REG
Pin11A08Pin28D12Pin45BVD2
Pin12A07Pin29D13Pin46BVD1
Pin13VCCPin30D14Pin47D08
Pin14A06Pin31D15Pin48D09
Pin15A05Pin32CE2Pin49D10
Pin16A03Pin33VS1Pin50GND
Pin17A04Pin34IORD　　
对ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ，数据都是以５１２字节的扇区单元进行操作，能够通过ＩＤＥ、Ｍｅｍｏｒｙ等模式对其进行访问。
虽然ＩＤＥ模式被广泛应用于计算机硬盘的接口中，同时也被经常应用于嵌入式系统中，得到绝大多数的ＢＩＯＳ和工业单板机的支持；但是ＩＤＥ模式涉及复杂的文件管理，使得控制操作相对复杂，不符合简单可行的设计要求。
本系统由单片机实现嵌入式设计。而Ｍｅｍｏｒｙ模式是ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的默认模式，可以避免繁琐的寄存器设置，同时支持８位数据带宽，控制操作相对简单，可以极大地简化设计，节省系统的资源。故本系统采用Ｍｅｍｏｒｙ模式。
２．２ 硬件接口
本系统电路连接框图如图１所示，主要包含以下五部分：
（１）ＡＴ８９Ｃ５２
ＡＴ８９Ｃ５２拥有比８０５１多一倍的数据存储器（２５６字节的ＲＡＭ），拥有８Ｋ字节内部只读存储器（ＲＯＭ），操作命令以及各引脚与８０５１基本一致。在本系统中，ＡＴ８９Ｃ５２的作用至关重要，它担负着与外部的通信及实现对ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的各种操作。
（２）外部数据存储器
外部数据存储器主要用作硬盘数据读写的缓存，因而必须具有非易失性、简便的操作及合适的容量。６２ＨＣ６４容量为８ＫＢ具有非易失性、功耗低等特点。
（３）通信电平转换芯片
ＲＳ２３２Ｃ是目前异步串行通信中应用最广泛的标准总线，适用于数据中断设备（ＤＴＥ）和数据通信设备（ＤＣＥ）之间的接口；而单片机使用ＴＴＬ电平，两者互不兼容。因而使用了ＭＡＸ２３２电平转换芯片对它们的通信电平进行转换，作为对外的通信接口。
（４）ＣＦ＋适配口
使用了标准５０针ＣＦ＋适配口。
（５）地址锁存器７４ＬＳ３７３和地址译码器７４ＬＳ１３８
其中Ａｄｄｒｅｓｓ／Ｄａｔａ（０～７）为复用的８位数据或低８位地址总线，Ａｄｄｒｅｓｓ（８～１２）为用于寻址６２ＨＣ６４的高５位地址线，Ａｄｄｒｅｓｓ（１３～１５）接至７４ＨＣ１３８，用作外部数据存储器６２ＨＣ６４及ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ 的片选信号；Ｒｅｓｅｔ（ＲＥＳＥＴ）信号与ＡＴ８９Ｃ５２的ＲＥＳＥＴ脚连接，以达到同步复位的目的，上电复位后，ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ自动进入默认的Ｍｅｍｏｒｙ 模式；ＲＥＧ Ｒｅｇｉｓｔｅｒ信号用于选择访问ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的Ａｔｔｉｒｉｂｕｔｅ Ｍｅｍｏｒｙ（低电平）或Ｃｏｍｍｏｎ Ｍｅｍｏｒｙ（高电平）；对于ＣＥ１与ＣＥ２（Ｃａｒｄ Ｅｎａｂｌｅ），因为只有一块ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ，故将ＣＥ２接高电平，ＣＥ１接７４ＬＳ１３８的Ｙ７脚；ＯＥ、为读写有效信号，与ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ３．７（ＲＤ）、Ｐ３．６（ＷＲ）相连；ＲＤＹ／ＢＳＹ（Ｒｅａｄｙ／Ｂｕｓｙ）ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ 的闲忙状态信号，当ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ忙时，该脚为低电平，不能对ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ做任何操作，与ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ３．２相连，以便可通过软件检测此位，判定ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的闲忙状态；ＷＡＩＴ（Ｗａｉｔ）信号的有效意味着一个操作进程正在完成过程中，把它与Ｐ１．７相连，以便检测；ＣＤ１、ＣＤ２（Ｃａｒｄ Ｄｅｔｅｃｔ）用于ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的存在检测，与ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ３．２、Ｐ３．３相连；ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ３．０（ＲＸＤ）用作串行通信输入，接ＭＡＸ２３２的１２脚（Ｒ１ＯＵＴ），用于接收通过ＭＡＸ２３２送来的数据，Ｐ３．１（ＴＸＤ）用作串行通信输出，接ＭＡＸ２３２的１１脚（Ｔ１ＩＮ），通过ＭＡＸ２３２送出数据。
３ 软件设计
３．１ 主要寄存器简介
ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ内几个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  称说  明
000HDATA REG数据寄存器
001HERROR REG出错状态寄存器
002HSECTOR COUNT REG扇区数目寄存器
003HLBA 0～7逻辑块寻址地址0～7位
004HLBA 8～15逻辑块寻址地址8～15位
005HLBA 16～23逻辑块寻址地址16～23位
006HLBA 24～27逻辑块寻址地址24～27位
007HSTATUS REG读取时为状态寄存器
007HCOMMAND REG写入时为命令寄存器
３．２ 软件设计简述
硬件设计好后，可以通过软件驱动接口电路读写ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ。软件流程如图２所示。首先进行测试以确定所有端口及信号的极性正确。由于Ｍｅｍｏｒｙ模式是缺省模式，其使用前的检测就变得相当简单。主要把软件分成以下几部分：
（１）检测ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ
首先，确定ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ是否已正确插入插槽。这需要检测Ｃａｒｄ Ｄｅｔｅｃｔ引脚，即将Ｐ３．２、Ｐ３．３的状态读入。如果两个都为０，就表示ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ已正确插入适配口；否则表明未正确插入，需要重新插入。
其次，在确定ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ已正确插入后，开始检测其状态。从Ｃｏｍｍｏｎ Ｍｅｍｏｒｙ的偏移地址为００７Ｈ的状态寄存器中读取ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的状态信号，如果ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ被正确Ｒｅｓｅｔ了，读到的数据应该是５０Ｈ，意味着ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ已能使用并准备接收命令；否则证明有错误，应重新Ｒｅｓｅｔ。
最后，当ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的状态证实无误并处于Ｍｅｍｏｒｙ模式时，就可以发送诊断命令字（Ｅｘｅｃｕｔｅ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ：９０Ｈ）到命令寄存器（偏移地址为００７Ｈ）中。这一命令将会根据ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的当前情况重置状态寄存器００７Ｈ（与命令寄存器的地址相同），当出错时，出错位将会被置１，此时检查错误状态寄存器（偏移地址为００１Ｈ）将会得到详尽的出错信息；而一旦无错误，便可对ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ进行操作了。
（２）数据的读取
为了达到此目的，首先，将要操作的扇区地址写入偏移地址为００３Ｈ～００６Ｈ的逻辑块寻址寄存器中，再将要操作的扇区数目写入偏移地址为００２Ｈ的扇区数目寄存器中，接着就发送读命令字（２０Ｈ）到命令寄存器中，当写入命令后，ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ会将ＢＵＳＹ状态置１作为响应。
然后，ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ从存储扇区中读出数据放入其缓存单元中，并将ＤＲＱ状态位置１，清ＢＵＳＹ以表示数据已准备好。因此只需检查ＤＲＱ状态即可。当ＤＲＱ为１时，便可从ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的缓存中读出数据；当所有数据读完后，ＤＲＱ将会清０，ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ又转回准备状态，可进行下一步操作。
（３）数据的写入
与读数据的操作类似，首先，将数据准备在数据缓存区（外部ＲＡＭ６２ＨＣ６４）中，将要操作的扇区地址写入偏移地址为００３Ｈ～００６Ｈ的逻辑块寻址寄存器中，将要操作的扇区数目写入偏移地址为００２Ｈ的扇区数目寄存器中，接着发送写命令字（３０Ｈ）到命令寄存器中。

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图2 单片机软件流程图

    然后，检测ＤＲＱ的状态（此时ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ置ＢＵＳＹ状态为１，接着置ＤＲＱ为１，清ＢＵＳＹ）。当检测到ＤＲＱ为１时，便可将数据缓存区（外部ＲＡＭ６２ＨＣ６４）中的数据写入ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的缓存单元。当ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ检测到数据写入其缓存中，置ＢＵＳＹ为１，清ＤＲＱ并根据地址将数据写入；当数据写完后，清ＢＵＳＹ状态位，重新回到准备状态，准备执行下一次操作。
在读写操作中，对进程起控制作用的是ＤＲＱ这一状态位，其检测程序如下：
ｖｏｉｄ ｗａｉｔ＿ｄｒｑｖｏｉｄ
 ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ａ
ａ＝ＸＢＹＴＥ０ｘＥ００７
／／读取状态寄存器的值
ｉｆａ＆０ｘ０１＝＝１ ｅｒｒｏｒ
／／若出错位为１转出错处理
ｗｈｉｌｅａ＆０ｘｆ８＝０ｘ５８
ａ＝ＸＢＹＴＥ０ｘＥ００７
／／查询ＤＲＱ位不为１则循环等待

（４）数据的擦除
为达到此目的，首先将要操作的扇区地址写入偏移地址为００３Ｈ～００６Ｈ的逻辑块寻址寄存器中，再将要操作的扇区数目写入偏移地址为００２Ｈ的扇区数目寄存器中，接着发送擦除命令字（０Ｃ０Ｈ）到命令寄存器当中，执行完擦除命令后，读出的值全为０。
本文介绍的基于单片机的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ接口设计，成功地实现了操作ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的常用命令和对ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的８位格式的操作。经过测试，此接口也可以对ＣＦ Ｔｙｐｅ Ｉ卡（如ＳａｎＤｉｓｋ公司的ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ卡）进行正确操作，从而提高了应用系统的兼容性，具有较广泛的应用价值，目前已准备在便携式的动态脑电、动态心电上使用，同时可用于ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ或ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ卡作为存储器使用的便携式电子设备中。
作者: 李小路    时间: 2021-6-25 09:22
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