基于單片機(jī)的MicroDrive接口設(shè)計(jì)

摘要：介紹了ＩＢＭ的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，詳細(xì)說明了ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ接口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)；以ＡＴ８９Ｃ５２型單片機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)完成了ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的接口電路，正確實(shí)現(xiàn)了對(duì)ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅｒ的讀寫及數(shù)據(jù)管理等功能。

    關(guān)鍵詞：ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ 單片機(jī)

近幾年，各種大容量的小型存儲(chǔ)器不斷涌現(xiàn)，在便攜式設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。目前常見的存儲(chǔ)卡類型有：?１?Ｓｍａｒｔ Ｍｅｄｉａ Ｃａｒｄ??２?ＭｅｍｏｒｙＳｔｉｃｋ??３?ＭｕｌｔｉＭｅｄｉａ Ｃａｒｄ??４?ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ Ｔｙｐｅ Ｉ Ｃａｒｄ??５?ＩＢＭ的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ等。各存儲(chǔ)卡在容量、功耗、體積上各有特色，但ＩＢＭ的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ尤為出色。

ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ是由ＩＢＭ日本分公司研發(fā)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品，其接口符合ＣＦＡ（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）協(xié)會(huì)制定的ＣＦ＋ Ｔｙｐｅ ＩＩ 規(guī)范，具有容量大（１７０ＭＢ～３ＧＢ）、體積�。ǎ矗玻�８ｍｍ×３６．４ｍｍ×５．０ｍｍ）、性價(jià)比高、耗電量小等特點(diǎn)，已在數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、掌上電腦、便攜式音樂播放器等設(shè)備的存儲(chǔ)中獲得了較廣泛的應(yīng)用。

目前市面上已有多家國內(nèi)外公司生產(chǎn)出操作ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的接口（如ＩＢＭ公司），但其價(jià)格較高。為降低成本，實(shí)現(xiàn)對(duì)ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的數(shù)據(jù)訪問和管理功能，本文給出了一種基于單片機(jī)的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ接口設(shè)計(jì)。
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１ ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ介紹

ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ各性能參數(shù)如下：

·容量(ＭＢ)：１０００／５１２／３４０；

·緩沖區(qū)大�。海保玻缸止�(jié)；

·扇區(qū)大小(字節(jié))：５１２；

·盤片數(shù)量：１；

·平均尋道時(shí)間：１２ｍｓ；

·平均等待時(shí)間：８．３３ｍｓ；

·最大內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸速率：５９．９ＭＢ／ｓ；

·最大外部數(shù)據(jù)傳輸速率：１３．３ＭＢ／ｓ；

接口：ＣＦ＋?兼容ＡＴＡ和ＰＣＭＣＩＡ?

數(shù)據(jù)密度?ＧＢ／平方英寸?：１５．２；

大�。海担恚怼粒矗常恚怼粒常担恚�；

重量：１７克；

磁盤旋轉(zhuǎn)速度：３６００ＲＰＭ。

主要特點(diǎn)有：

·體積小、重量輕、容量大；

·可靠性高，有效的數(shù)據(jù)保護(hù)及數(shù)據(jù)編碼技術(shù)，使得其出錯(cuò)率極低；

·讀寫速度快，連續(xù)讀寫速率最高可達(dá)４．２ＭＢ／ｓ，抗沖擊（１５００Ｇ），耐震動(dòng)（５Ｇ）；

·兼容性好，支持３．３Ｖ或５Ｖ工作電壓，具有廣闊的使用范圍。

２ ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ硬件接口設(shè)計(jì)

２．１ ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ接口簡介及訪問模式的選擇

ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的接口符合ＣＦ＋ Ｔｙｐｅ ＩＩ標(biāo)準(zhǔn)，支持３．３Ｖ或５Ｖ直流工作電壓，提供了完整的ＰＣＭＣＩＡ－ＡＴＡ功能且通過ＡＴＡ／ＡＴＡＰＩ－４兼容ＴｒｕｅＩＤＥ。但與６８針接口的ＰＣＭＣＩＡ卡不同的是，同樣遵從ＡＴＡ協(xié)議的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ 接口只有５０針，采用５０腳雙列０．０５英寸間距標(biāo)準(zhǔn)接口（管腳排列如表１所示）。

表1 MicroDrive管腳排列

管腳號(hào) 名  稱 管腳號(hào) 名  稱 管腳號(hào) 名  稱 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 　 　

對(duì)ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ，數(shù)據(jù)都是以５１２字節(jié)的扇區(qū)單元進(jìn)行操作，能夠通過ＩＤＥ、Ｍｅｍｏｒｙ等模式對(duì)其進(jìn)行訪問。

雖然ＩＤＥ模式被廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)硬盤的接口中，同時(shí)也被經(jīng)常應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中，得到絕大多數(shù)的ＢＩＯＳ和工業(yè)單板機(jī)的支持；但是ＩＤＥ模式涉及復(fù)雜的文件管理，使得控制操作相對(duì)復(fù)雜，不符合簡單可行的設(shè)計(jì)要求。

本系統(tǒng)由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)嵌入式設(shè)計(jì)。而Ｍｅｍｏｒｙ模式是ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的默認(rèn)模式，可以避免繁瑣的寄存器設(shè)置，同時(shí)支持８位數(shù)據(jù)帶寬，控制操作相對(duì)簡單，可以極大地簡化設(shè)計(jì)，節(jié)省系統(tǒng)的資源。故本系統(tǒng)采用Ｍｅｍｏｒｙ模式。

２．２ 硬件接口

本系統(tǒng)電路連接框圖如圖１所示，主要包含以下五部分：

（１）ＡＴ８９Ｃ５２

ＡＴ８９Ｃ５２擁有比８０５１多一倍的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（２５６字節(jié)的ＲＡＭ），擁有８Ｋ字節(jié)內(nèi)部只讀存儲(chǔ)器（ＲＯＭ），操作命令以及各引腳與８０５１基本一致。在本系統(tǒng)中，ＡＴ８９Ｃ５２的作用至關(guān)重要，它擔(dān)負(fù)著與外部的通信及實(shí)現(xiàn)對(duì)ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的各種操作。

（２）外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器主要用作硬盤數(shù)據(jù)讀寫的緩存，因而必須具有非易失性、簡便的操作及合適的容量。６２ＨＣ６４容量為８ＫＢ?具有非易失性、功耗低等特點(diǎn)。

（３）通信電平轉(zhuǎn)換芯片

ＲＳ２３２Ｃ是目前異步串行通信中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線，適用于數(shù)據(jù)中斷設(shè)備（ＤＴＥ）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（ＤＣＥ）之間的接口；而單片機(jī)使用ＴＴＬ電平，兩者互不兼容。因而使用了ＭＡＸ２３２電平轉(zhuǎn)換芯片對(duì)它們的通信電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，作為對(duì)外的通信接口。

（４）ＣＦ＋適配口

使用了標(biāo)準(zhǔn)５０針ＣＦ＋適配口。

（５）地址鎖存器７４ＬＳ３７３和地址譯碼器７４ＬＳ１３８

其中Ａｄｄｒｅｓｓ／Ｄａｔａ（０～７）為復(fù)用的８位數(shù)據(jù)或低８位地址總線，Ａｄｄｒｅｓｓ（８～１２）為用于尋址６２ＨＣ６４的高５位地址線，Ａｄｄｒｅｓｓ（１３～１５）接至７４ＨＣ１３８，用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器６２ＨＣ６４及ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ 的片選信號(hào)；Ｒｅｓｅｔ（ＲＥＳＥＴ）信號(hào)與ＡＴ８９Ｃ５２的ＲＥＳＥＴ腳連接，以達(dá)到同步復(fù)位的目的，上電復(fù)位后，ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ自動(dòng)進(jìn)入默認(rèn)的Ｍｅｍｏｒｙ 模式；ＲＥＧ ?Ｒｅｇｉｓｔｅｒ?信號(hào)用于選擇訪問ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的Ａｔｔｉｒｉｂｕｔｅ Ｍｅｍｏｒｙ（低電平）或Ｃｏｍｍｏｎ Ｍｅｍｏｒｙ（高電平）；對(duì)于ＣＥ１與ＣＥ２（Ｃａｒｄ Ｅｎａｂｌｅ），因?yàn)橹挥幸粔KＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ，故將ＣＥ２接高電平，ＣＥ１接７４ＬＳ１３８的Ｙ７腳；ＯＥ、為讀寫有效信號(hào)，與ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ３．７（ＲＤ）、Ｐ３．６（ＷＲ）相連；ＲＤＹ／ＢＳＹ（Ｒｅａｄｙ／Ｂｕｓｙ）ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ 的閑忙狀態(tài)信號(hào)，當(dāng)ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ忙時(shí)，該腳為低電平，不能對(duì)ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ做任何操作，與ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ３．２相連，以便可通過軟件檢測此位，判定ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的閑忙狀態(tài)；ＷＡＩＴ（Ｗａｉｔ）信號(hào)的有效意味著一個(gè)操作進(jìn)程正在完成過程中，把它與Ｐ１．７相連，以便檢測；ＣＤ１、ＣＤ２（Ｃａｒｄ Ｄｅｔｅｃｔ）用于ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的存在檢測，與ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ３．２、Ｐ３．３相連；ＡＴ８９Ｃ５２的Ｐ３．０（ＲＸＤ）用作串行通信輸入，接ＭＡＸ２３２的１２腳（Ｒ１ＯＵＴ），用于接收通過ＭＡＸ２３２送來的數(shù)據(jù)，Ｐ３．１（ＴＸＤ）用作串行通信輸出，接ＭＡＸ２３２的１１腳（Ｔ１ＩＮ），通過ＭＡＸ２３２送出數(shù)據(jù)。

３ 軟件設(shè)計(jì)

３．１ 主要寄存器簡介

ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ內(nèi)幾個(gè)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  稱 說  明 000H DATA REG 數(shù)據(jù)寄存器 001H ERROR REG 出錯(cuò)狀態(tài)寄存器 002H SECTOR COUNT REG 扇區(qū)數(shù)目寄存器 003H LBA 0～7 邏輯塊尋址地址0～7位 004H LBA 8～15 邏輯塊尋址地址8～15位 005H LBA 16～23 邏輯塊尋址地址16～23位 006H LBA 24～27 邏輯塊尋址地址24～27位 007H STATUS REG 讀取時(shí)為狀態(tài)寄存器 007H COMMAND REG 寫入時(shí)為命令寄存器

３．２ 軟件設(shè)計(jì)簡述

硬件設(shè)計(jì)好后，可以通過軟件驅(qū)動(dòng)接口電路讀寫ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ。軟件流程如圖２所示。首先進(jìn)行測試以確定所有端口及信號(hào)的極性正確。由于Ｍｅｍｏｒｙ模式是缺省模式，其使用前的檢測就變得相當(dāng)簡單。主要把軟件分成以下幾部分：

（１）檢測ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ

首先，確定ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ是否已正確插入插槽。這需要檢測Ｃａｒｄ Ｄｅｔｅｃｔ引腳，即將Ｐ３．２、Ｐ３．３的狀態(tài)讀入。如果兩個(gè)都為０，就表示ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ已正確插入適配口；否則表明未正確插入，需要重新插入。

其次，在確定ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ已正確插入后，開始檢測其狀態(tài)。從Ｃｏｍｍｏｎ Ｍｅｍｏｒｙ的偏移地址為００７Ｈ的狀態(tài)寄存器中讀�。停椋悖颍铮模颍椋觯宓臓顟B(tài)信號(hào)，如果ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ被正確Ｒｅｓｅｔ了，讀到的數(shù)據(jù)應(yīng)該是５０Ｈ，意味著ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ已能使用并準(zhǔn)備接收命令；否則證明有錯(cuò)誤，應(yīng)重新Ｒｅｓｅｔ。

最后，當(dāng)ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的狀態(tài)證實(shí)無誤并處于Ｍｅｍｏｒｙ模式時(shí)，就可以發(fā)送診斷命令字（Ｅｘｅｃｕｔｅ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ：９０Ｈ）到命令寄存器（偏移地址為００７Ｈ）中。這一命令將會(huì)根據(jù)ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的當(dāng)前情況重置狀態(tài)寄存器００７Ｈ（與命令寄存器的地址相同），當(dāng)出錯(cuò)時(shí)，出錯(cuò)位將會(huì)被置１，此時(shí)檢查錯(cuò)誤狀態(tài)寄存器（偏移地址為００１Ｈ）將會(huì)得到詳盡的出錯(cuò)信息；而一旦無錯(cuò)誤，便可對(duì)ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ進(jìn)行操作了。

（２）數(shù)據(jù)的讀取

為了達(dá)到此目的，首先，將要操作的扇區(qū)地址寫入偏移地址為００３Ｈ～００６Ｈ的邏輯塊尋址寄存器中，再將要操作的扇區(qū)數(shù)目寫入偏移地址為００２Ｈ的扇區(qū)數(shù)目寄存器中，接著就發(fā)送讀命令字（２０Ｈ）到命令寄存器中，當(dāng)寫入命令后，ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ會(huì)將ＢＵＳＹ狀態(tài)置１作為響應(yīng)。

然后，ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ從存儲(chǔ)扇區(qū)中讀出數(shù)據(jù)放入其緩存單元中，并將ＤＲＱ狀態(tài)位置１，清ＢＵＳＹ以表示數(shù)據(jù)已準(zhǔn)備好。因此只需檢查ＤＲＱ狀態(tài)即可。當(dāng)ＤＲＱ為１時(shí)，便可從ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的緩存中讀出數(shù)據(jù)；當(dāng)所有數(shù)據(jù)讀完后，ＤＲＱ將會(huì)清０，ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ又轉(zhuǎn)回準(zhǔn)備狀態(tài)，可進(jìn)行下一步操作。

（３）數(shù)據(jù)的寫入

與讀數(shù)據(jù)的操作類似，首先，將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備在數(shù)據(jù)緩存區(qū)（外部ＲＡＭ６２ＨＣ６４）中，將要操作的扇區(qū)地址寫入偏移地址為００３Ｈ～００６Ｈ的邏輯塊尋址寄存器中，將要操作的扇區(qū)數(shù)目寫入偏移地址為００２Ｈ的扇區(qū)數(shù)目寄存器中，接著發(fā)送寫命令字（３０Ｈ）到命令寄存器中。

圖2 單片機(jī)軟件流程圖

    然后，檢測ＤＲＱ的狀態(tài)（此時(shí)ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ置ＢＵＳＹ狀態(tài)為１，接著置ＤＲＱ為１，清ＢＵＳＹ）。當(dāng)檢測到ＤＲＱ為１時(shí)，便可將數(shù)據(jù)緩存區(qū)（外部ＲＡＭ６２ＨＣ６４）中的數(shù)據(jù)寫入ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的緩存單元。當(dāng)ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ檢測到數(shù)據(jù)寫入其緩存中，置ＢＵＳＹ為１，清ＤＲＱ并根據(jù)地址將數(shù)據(jù)寫入；當(dāng)數(shù)據(jù)寫完后，清ＢＵＳＹ狀態(tài)位，重新回到準(zhǔn)備狀態(tài)，準(zhǔn)備執(zhí)行下一次操作。

在讀寫操作中，對(duì)進(jìn)程起控制作用的是ＤＲＱ這一狀態(tài)位，其檢測程序如下：

ｖｏｉｄ ｗａｉｔ＿ｄｒｑ?ｖｏｉｄ?

? ｕｎｓｉｇｎｅｄ ｉｎｔ ａ?

ａ＝ＸＢＹＴＥ?０ｘＥ００７??

／／讀取狀態(tài)寄存器的值

ｉｆ??ａ＆０ｘ０１?＝＝１? ｅｒｒｏｒ???

／／若出錯(cuò)位為１?轉(zhuǎn)出錯(cuò)處理

ｗｈｉｌｅ??ａ＆０ｘｆ８??＝０ｘ５８?

ａ＝ＸＢＹＴＥ?０ｘＥ００７??

／／查詢ＤＲＱ位?不為１則循環(huán)等待

?

（４）數(shù)據(jù)的擦除

為達(dá)到此目的，首先將要操作的扇區(qū)地址寫入偏移地址為００３Ｈ～００６Ｈ的邏輯塊尋址寄存器中，再將要操作的扇區(qū)數(shù)目寫入偏移地址為００２Ｈ的扇區(qū)數(shù)目寄存器中，接著發(fā)送擦除命令字（０Ｃ０Ｈ）到命令寄存器當(dāng)中，執(zhí)行完擦除命令后，讀出的值全為０。

本文介紹的基于單片機(jī)的ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ接口設(shè)計(jì)，成功地實(shí)現(xiàn)了操作ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的常用命令和對(duì)ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ的８位格式的操作。經(jīng)過測試，此接口也可以對(duì)ＣＦ Ｔｙｐｅ Ｉ卡（如ＳａｎＤｉｓｋ公司的ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ卡）進(jìn)行正確操作，從而提高了應(yīng)用系統(tǒng)的兼容性，具有較廣泛的應(yīng)用價(jià)值，目前已準(zhǔn)備在便攜式的動(dòng)態(tài)腦電、動(dòng)態(tài)心電上使用，同時(shí)可用于ＭｉｃｒｏＤｒｉｖｅ或ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ卡作為存儲(chǔ)器使用的便攜式電子設(shè)備中。

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