基于单片机的MicroDrive接口设计

liyf · 发表于 2014-10-5 10:51:46

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　ＳｍａｒｔＭｅｄｉａＣａｒｄ２　ＭｅｍｏｒｙＳｔｉｃｋ３　ＭｕｌｔｉＭｅｄｉａＣａｒｄ４　ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈＴｙｐｅＩＣａｒｄ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（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈＡｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）协会制定的ＣＦ＋ＴｙｐｅＩＩ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。

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基于单片机的MicroDrive接口设计

2014-10-5 10:51 上传

１ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ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。
２ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ硬件接口设计
２．１ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ接口简介及访问模式的选择
ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的接口符合ＣＦ＋ＴｙｐｅＩＩ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
Pin1	GND	Pin18	A02	Pin35	IOWR
Pin2	D03	Pin19	A01	Pin36	WE
Pin3	D04	Pin20	A00	Pin37	RDY/BSY
Pin4	D05	Pin21	D00	Pin38	VCC
Pin5	D06	Pin22	D01	Pin39	CSEL
Pin6	D07	Pin23	D02	Pin40	VS2
Pin7	CE1	Pin24	WP	Pin41	RESET
Pin8	A10	Pin25	CD2	Pin42	WAIT
Pin9	OE	Pin26	CD1	Pin43	INPACK
Pin10	A09	Pin27	D11	Pin44	REG
Pin11	A08	Pin28	D12	Pin45	BVD2
Pin12	A07	Pin29	D13	Pin46	BVD1
Pin13	VCC	Pin30	D14	Pin47	D08
Pin14	A06	Pin31	D15	Pin48	D09
Pin15	A05	Pin32	CE2	Pin49	D10
Pin16	A03	Pin33	VS1	Pin50	GND
Pin17	A04	Pin34	IORD

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ＡｔｔｉｒｉｂｕｔｅＭｅｍｏｒｙ（低电平）或ＣｏｍｍｏｎＭｅｍｏｒｙ（高电平）；对于ＣＥ１与ＣＥ２（ＣａｒｄＥｎａｂｌｅ），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（ＣａｒｄＤｅｔｅｃｔ）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
000H	DATA REG	数据寄存器
001H	ERROR REG	出错状态寄存器
002H	SECTOR COUNT REG	扇区数目寄存器
003H	LBA 0～7	逻辑块寻址地址0～7位
004H	LBA 8～15	逻辑块寻址地址8～15位
005H	LBA 16～23	逻辑块寻址地址16～23位
006H	LBA 24～27	逻辑块寻址地址24～27位
007H	STATUS REG	读取时为状态寄存器
007H	COMMAND 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ＣａｒｄＤｅｔｅｃｔ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ＣｏｍｍｏｎＭｅｍｏｒｙ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（ＥｘｅｃｕｔｅＤｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ：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。

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：
ｖｏｉｄｗａｉｔ＿ｄｒｑｖｏｉｄ　
 ｕｎｓｉｇｎｅｄｉｎｔａ
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ＣＦＴｙｐｅＩ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。

李小路 · 发表于 2021-6-25 09:22:34

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