Xscale PXA255处理器与CF卡的接口设计

以导航设备存储系统应用为例，本文讨论了Intel Xscale PXA255嵌入式处理器与CF卡的硬件接口设计，并以读写CF卡扇区的程序为例，给出了CF卡软件编写的技巧。该设计为基于PXA255处理器的嵌入式系统提供了扩展存储空间的一种方法。
Intel Xscale PXA255处理器是新一代的嵌入式处理器，基于ARMv5TE体系结构的微处理器，性价比较高、功耗较低，适合于数字移动电话、个人数字助理、网络路由器等嵌入式系统的应用。在采用PXA255处理器开发诸如车载导航系统时，电子地图等海量地理信息数据需要一个容量大、体积小、性能优异的存储器。“Compact Flash”卡，简称CF卡，具有高速度、大容量、体积小、重量轻、功耗低和高性价比等优点，十分适合嵌入式系统的应用。因此，可选择CF卡作为地理信息数据的存储载体。PXA255处理器提供了PCMCIA/CF卡控制器，可以方便地实现PXA255处理器与CF卡的接口设计。

CF卡结构和工作原理

Compact Flash技术是由CF协会(CFA)提出的一种与PC机ATA接口标准兼容的技术。如图1，CF卡由两个基本部分构成：内部控制器和闪存模块。CF卡的闪存模块基本上都使用NAND型闪存，用于存储数据。内部控制器用来实现CF卡与主机的接口以及控制数据的传输。CF卡内部控制器的设计完全模拟硬盘，使用标准的ATA/IDE接口。

图1：CF卡结构框图

CF卡的存取方式有三种：PC Card Memory模式、PC Card I/O模式以及True IDE模式。PC Card模式与PCMCIA标准兼容。True IDE模式与ATA标准兼容。三种方式相比，在True IDE模式下，CF卡与主机通信的信号最少，硬件接口最简单、软件易于实现，因此本设计采用了True IDE模式。

CF卡扇区寻址有两种方式：物理寻址方式(CHS)和逻辑寻址方式(LBA)。物理寻址方式使用柱面、磁头和扇区号表示一个特定的扇区，起始扇区是0磁道、0磁头、1扇区，接着是2扇区，一直到EOF扇区；接下来是同一柱面1头、1扇区等。逻辑寻址方式将整个CF卡同一寻址。逻辑块地址和物理地址的关系为：LBA地址=(柱面号×磁头数+磁头号)×扇区数+扇区数-1。

CF卡没有机械结构，因此CF卡的扇区寻址适宜采用逻辑寻址方式。逻辑寻址方式没有磁头和磁道的转换操作，因此在访问连续扇区时，操作速度比物理寻址方式快得多。

对于CF卡的操作(如：读/写)，其实就是对CF卡控制器的寄存器进行操作。所以，必须对CF卡的寄存器十分熟悉。这些寄存器统称为任务文件(task file)寄存器：

1．数据寄存器(读/写)，用于CF卡的读写操作。主机通过该寄存器向CF卡数据缓冲写入或从CF卡数据缓冲读出数据。

2．错误寄存器(Read)和特性寄存器(Write)。读操作时，此寄存器为错误寄存器，用于指明错误的原因；写操作时，此寄存器为特性寄存器。

3．扇区数寄存器(读/写)，用来记录读、写扇区的数目。

4．扇区号寄存器(读/写)，用来记录读、写和校验命令指定的起始扇区号或逻辑块地址(LBA)的BIT7：0。

5．柱面号寄存器(读/写)，用来记录读、写、校验和寻址命令指定的柱面号或LBA的BIT23：8。

6．驱动器/磁头寄存器(读/写)，记录读、写、校验和寻道命令指定的驱动器号、磁头号或LBA的BIT27：24，其中BIT6(LBA)用来设置CF卡扇区的寻址方式(LBA=0，采用CHS模式；LBA=1，采用LBA模式)。

7．状态寄存器(读)和命令寄存器(读/写)，读操作时，该寄存器是状态寄存器，指示CF卡控制器执行命令后的状态，读状态寄存器则返回CF卡的当前状态；写操作时，该寄存器是命令寄存器，接收主机发送给CF卡的控制命令。

PXA255处理器与CF卡的硬件接口设计

1. PXA255的PC Card/CF卡控制器

PXA255处理器PC Card/CF卡控制器可以支持一个PCMCIA卡或CF卡插槽，利用nPSKTSEL引脚可以支持第2个插槽。寄存器MECR用于向PXA255处理器的PC Card/CF卡控制器指出是否有CF卡插入，以及系统支持的CF卡的插槽数目。在有卡插入时，软件必须将MECR的CIT比特位置1；所有的卡拔出时，则必须将之清零。

PXA255处理器PC Card/CF卡接口支持8、16位外围设备，而且可以处理公共存储器(Common Memory)、I/O和特性存储器(Attribute Memory)三种方式的存取。每次访问的时间取决于MCMEMx、MCATTx和M
CIOx寄存器的设置。图2给出了PXA255处理器16位PC Card/CF卡地址空间的存储器映像。16位PC Card/CF卡存储器映像空间分为8块。每个插槽对应其中4块，分别为公共存储器、I/O、特性存储器和保留空间。每个块的大小为64M。

图2：CF卡地址空间存储映像

每次访问PC Card /CF卡对应的地址空间，PC Card/CF卡控制器将同时驱动信号SA_A25：0、nPREG和nPSKTSEL。(注：PXA255处理器的地址总线为SA_A25：0。)

如果访问公共存储器和特性存储器地址空间，PC Card/CF卡控制器驱动地址总线的时候，同时驱动nPCE1、nPCE2信号，并使用nPOE和nPWE信号作为读写控制信号。

如果是访问I/O空间，nPCE1、nPCE2的值取决于CF卡的信号输出nIOIS16，而且在nIOIS16有效后，nPCE1、nPCE2将有效固定的一段时间。nIOIS16信号用来决定传送的数据总线的宽度(8位或16位)：nIOIS16=1，表明当前的数据总线为8位，nPCE1有效；nIOIS16=0表明当前的数据总线为16位，nPCE1、nPCE2同时有效。PXA255使用nPCE2向外部设备指出操作将使用数据总线的高8位，使用nPCE1向外部设备指出操作将使用数据总线的低8位。I/O地址空间的访问使用nPIOW和nPIOR信号作为读写控制信号。

2. PXA255与CF卡硬件接口设计

本设计仅采用一个CF卡插槽，使用Socket0的I/O地址空间，而且CF卡采用True IDE模式。则访问地址空间为0x20000000-0x24000000时，PC Card/CF卡控制器将同时驱动信号SA_A25：0、nPREG和nPSKTSEL，并使用nPIOW和nPIOR信号作为读写控制信号。True IDE模式支持8位存取，也支持16位存取。

在True IDE模式下，某些信号有特殊的含义，必须采用True IDE模式下特有的设置方法。如表1所示，nCE1是任务文件寄存器片选信号，低电平有效；nCE2是交替状态(Alternate Status)寄存器和设备控制(Device Control)寄存器片选信号，也是低电平有效。因为实际操作中，极少使用交替状态寄存器和设备控制寄存器，所以对CF卡的操作实际就是对任务文件寄存器的操作。因此，一般设置nCE1=0，nCE2=1。实现方法：在CPLD中设置nCE1=SA_A4，nCE2=not SA_A4。这样设置是有根据的。表1是True IDE模式下I/O编码表。主机操作CF卡时，系统仅使用地址总线A2：0，用于选择组成任务文件寄存器的8个寄存器之一。而地址总线A10：3由主机接地。因此，nCE1=SA_A4即nCE1=0；nCE2=not SA_A4即nCE2=1。表1中，-CE1=0时，对应的8个寄存器统称为任务文件寄存器。

需要注意的是，在True IDE模式下，nOE不是读使能信号，而是CF卡True IED模式的使能信号。CF卡上电时，若nOE(PIN9)为"0"，则CF卡自动进入True IDE模式；若nOE="1"则进入PC Card 模式。当电源一直接通时，热拔插CF卡将会使其从原来的True IDE模式重新配置成PC Card模式。因此，热插拔过程中，为了使CF卡工作在True IDE模式，需要在CF卡加电启动的时侯，同时将nOE信号接地。实现的方法：在CPLD中将nOE置0。True IDE模式下，nWE也不用作写使能信号，而应该由主机将之接地。处理方法：在CPLD中将其只置为1。