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%26;#215;３６．４ｍｍ%26;#215;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： %26;#183;容量(ＭＢ)：１０００／５１２／３４０； %26;#183;缓冲区大小：１２８字节； %26;#183;扇区大小(字节)：５１２； %26;#183;盘片数量：１； %26;#183;平均寻道时间：１２ｍｓ； %26;#183;平均等待时间：８．３３ｍｓ； %26;#183;最大内部数据传输速率：５９．９ＭＢ／ｓ； %26;#183;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%26;#215;４３ｍｍ%26;#215;３５ｍｍ； 重量：１７克； 磁盘旋转速度：３６００ＲＰＭ。 主要特点有： %26;#183;体积小、重量轻、容量大； %26;#183;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； %26;#183;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）； %26;#183;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 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 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。 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。