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嵌入式处理器MPC8250与CF卡的接口设计
摘要：从如何设计嵌入式处理器与ＣＦ卡之间的接口、如何高效率地编制读写程序出发，介绍了嵌入式处理器与ＣＦ卡的接口设计和编程技巧。最近几年，嵌入式处理器蓬勃发展，在通信、航空航天、医疗设备、消费类电子产品等领域一展身手。嵌入式处理器的外围设备也日新月异，例如记忆棒、ＵＳＢ口、ＣＦ卡等。本文从硬件和软件角度出发，介绍了ＣＦ卡在嵌入式系统中的设计和使用技巧。
由于ＣＦ卡具有携带方便、易于升级、存储量大、抗震性好等优点，应用范围越来越广。１９９５年１０月，ＳａｎＤｉｓｋ、柯达、卡西欧、惠普、摩托罗拉、佳能等１２５家厂商发起成立了ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ协会，致力于制定新一代的基于ＲＡＭ和ＲＯＭ技术的固态非易失的存储介质标准——ＣＦ卡标准?使不同厂家开发的ＣＦ卡及其接口器件可以互相兼容。目前，ＣＦ卡标准已有１．４版本，容量从最早的２Ｍ字节到现今的１Ｇ字节。
同时，ＣＦ卡遵从ＡＴＡ－ＩＤＥ工业设计标准，连接装置与 ＰＣＭＣＩＡ卡相似，只不过ＣＦ卡是５０引脚（ＰＣＭＣＩＡ卡６８引脚），可以很容易插入无源６８引脚 ＴｙｐｅＩＩ适配卡并完全符合ＰＣＭＣＩＡ电力和机械接口规格。另外，ＣＦ卡的兼容性佳，不仅同时支持３．３Ｖ和５Ｖ的电压，而且不同的ＣＦ卡都可以用单一的机构读写，特别是ＣＦ卡升级换代时也可以保证旧设备的兼容性。而纯电子运动的ＣＦ卡耗电量很低，仅为ＩＢＭ微型硬盘的５％。
１ 系统设计
图１是笔者开发的嵌入式系统框图。其中，嵌入式处理器是ＭＰＣ８２５０，ＰＣＩ１４１０Ａ是连接ＰＣＩ总线和ＣＦ卡的一种接口芯片。
ＭＰＣ８２５０芯片是Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司开发的一款ＰｏｗｅｒＰＣ系列嵌入式处理器。芯片采用小巧而强大的３２位超标量体系结构ＰｏｗｅｒＰＣ ６０３ｅ处理器内核，最高主频为３００ＭＨｚ。它集成了ＰＣＩ桥、ＰＣＩ仲裁器、存储器控制器、中断控制器、ＤＭＡ控制器、１６Ｋ字节指令高速缓存和１６Ｋ字节数据高速缓存等部件。ＭＰＣ８２５０具有三个可配置为百兆或十兆以太网的ＦＣＣ口，四个可配置为串口或网口的ＳＣＣ口，一个多通道ＨＤＬＣ接口。该芯片适用于对成本、空间、功耗和性能都有很高要求的应用领域，例如路由器／接线器、多路ＭＯＤＥＭ、网络存储应用和图像显示等系统。
ＰＣＩ１４１０Ａ芯片是ＴＩ公司开发的一种高性能的ＰＣＩ到ＣＦ卡的控制器，支持遵循ＣＦ卡标准的各类ＣＦ卡。它符合ＰＣＩ总线标准，既可以工作于ＰＣＩ主设备模式，也可以工作于ＰＣＩ从设备模式。
ＭＰＣ８２５０与ＰＣＩ１４１０Ａ之间通过３２位ＰＣＩ局部总线连接，工作频率３３ＭＨｚ。ＭＰＣ８２５０用作ＰＣＩ主设备，ＰＣＩ１４１０Ａ用作ＰＣＩ从设备，同时采用ＭＰＣ８２５０内部的ＰＣＩ仲裁器。
本设计选用ＳａｎＤｉｓｋ公司的型号为ＳＤＣＦＢ－６４－１０１的ＣＦ卡，６４Ｍ字节容量，几何尺寸为３６．４ｍｍ×４２．８ｍｍ×３ｍｍ。ＰＣＩ１４１０Ａ与ＣＦ卡之间的连接遵循ＣＦ卡标准，由地址、数据、控制三组信号组成。ＰＣＩ１４１０Ａ提供了五个通用Ｉ／Ｏ引脚，设计中将其中一个引脚ＧＰＩＯ１用作ＬＥＤ指示。当ＣＦ卡工作时，ＬＥＤ会以６４ｍｓ的周期闪烁。
ＳＤＲＡＭ选用了三星公司的Ｋ４Ｓ５６１６３２Ａ，每片容量２５６Ｍ比特，共四片。
图2 读写CF卡技巧示意图
２ 接口编程
在ＣＦ卡工作前，必须先进行初始化，在整个系统的地址空间中确定ＣＦ卡的位置，预设置ＣＦ卡的工作模式及相关寄存器。本设计中，ＣＦ卡位于系统的０ｘ９Ａ００００００～０ｘ９ＤＦＦＦＦＦＦ地址空间。在每次读写ＣＦ卡时，必须根据读写数据的多少和操作特性来配置相应寄存器。
２．１ ＣＦ卡初始化
本系统中，ＣＦ卡的初始化由ＭＰＣ８２５０通过ＰＣＩ总线配置ＰＣＩ１４１０Ａ的寄存器实现，具体步骤如下：
（１）设置ＣＦ卡的基地址，即配置ＥｘＣＡ寄存器（偏移量：０ｘ１０）。该寄存器定义了ＣＦ卡在ＰＣＩ存储器空间的基地址，即０ｘ９Ａ００００００。
（２）配置ＰＣＩ命令寄存器（偏移量：０ｘ０４），允许ＣＰＵ访问ＰＣＩ存储空间。
（３）配置系统控制寄存器（偏移量：０ｘ８０）。该寄存器定义了一些系统控制位，例如，是否采用ＰＣＩ中断方式，是否采用内部振荡器，是否采用ＤＭＡ等。本设计采用ＰＣＩ中断方式，不采用内部振荡器和ＤＭＡ。
（４）配置多功能引脚寄存器（偏移量：０ｘ８Ｃ）。该寄存器配置通用引脚。本设计配置ＧＰＩＯ１引脚为ＬＥＤ指示，ＧＰＩＯ２引脚为ＰＣＩ中断输出。
（５）配置设备控制寄存器（偏移量：０ｘ９２）。该寄存器选择中断方式，是并行ＰＣＩ中断还是串行ＰＣＩ中断。本设计选择了传统的并行ＰＣＩ中断方式。
（６）配置ＥｘＣＡ电压控制寄存器（偏移量：０ｘ８０２），选择Ｖｃｃ为３．３Ｖ还是５Ｖ。本设计选择Ｖｃｃ为３．３Ｖ。
（７）配置ＥｘＣＡ存储窗口０起始地址低位寄存器（偏移量：０ｘ８１０），即起始地址的Ａ１９～Ａ１２位。ＰＣＩ１４１０Ａ具有五个存储地址翻译窗口和二个Ｉ／Ｏ地址翻译窗口，用于配置ＣＦ卡内寄存器的访问地址，将ＣＦ卡的寄存器映射到系统的存储空间或Ｉ／Ｏ空间，ＭＰＣ８２５０访问这些寄存器就相当于访问一段存储空间或Ｉ／Ｏ空间。本设计中只使用了存储地址翻译窗口０。
（８）配置ＥｘＣＡ存储窗口０起始地址高位寄存器（偏移量：０ｘ８１１），即起始地址的Ａ２３～Ａ２０位。
（９）配置ＥｘＣＡ存储窗口０结束地址低位寄存器（偏移量：０ｘ８１２），即结束地址的Ａ１９～Ａ１２位。
（１０）配置ＥｘＣＡ存储窗口０结束地址高位寄存器（偏移量：０ｘ８１３），即结束地址的Ａ２３～Ａ２０
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