基于ARM的嵌入式系統(tǒng)CF卡與CPLD連接技術(shù)詳解

1 引言

隨著應(yīng)用需求的不斷提高，許多嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)都要求帶有擴(kuò)展的大容量存儲(chǔ)器來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。CF 卡（Compact Flsah Card）由于價(jià)格便宜、存儲(chǔ)容量大、體積小、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于嵌入式產(chǎn)品。然而現(xiàn)有的CF 卡接口電路存在接口復(fù)雜，穩(wěn)定性不高等缺點(diǎn)，不能滿足客戶的需求。通過深入研究ARM 處理器AT91RM9200 的外部總線接口（EBI）、CF 卡和CPLD 的工作原理，提出利用CPLD來改進(jìn)CF 卡接口電路以解決現(xiàn)有接口電路中存在的缺點(diǎn)。

2 器件簡(jiǎn)介

2.1 外部總線接口

系統(tǒng)采用了以ARM920T 為內(nèi)核的AT91RM9200作為微處理器，它是完全圍繞ARM920T Thumb 處理器構(gòu)建的系統(tǒng)。它有豐富的系統(tǒng)與應(yīng)用外設(shè)及標(biāo)準(zhǔn)的接口，包括一個(gè)高速片上SRAM 工作區(qū)及一個(gè)低等待時(shí)間的外部總線接口（EBI）以完成應(yīng)用所要求的片外存儲(chǔ)區(qū)和內(nèi)部存儲(chǔ)器映射外設(shè)配置的無縫連接。外部總線接口結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

EBI 通過集成電路支持CF 卡與SmartMedia 協(xié)議，從而極大地降低了對(duì)外部組件的需求。此外，EBI可處理多達(dá)8 個(gè)外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)外設(shè)分配8 個(gè)在內(nèi)置存儲(chǔ)控制器中定義的地址空間。數(shù)據(jù)通過16 位或32 位數(shù)據(jù)總線進(jìn)行傳輸，地址總線高達(dá)26位，8個(gè)芯片選擇口（NCS［7:0］）和在不同外部存儲(chǔ)控制器間復(fù)用的多個(gè)控制引腳進(jìn)行復(fù)用。

2.2 CF 卡

CF 卡（Compact Flash Card）是采用Flash Memory技術(shù)的存儲(chǔ)卡，具有體積小、價(jià)格低廉、兼容性強(qiáng)、存儲(chǔ)量大等優(yōu)點(diǎn)。CF 卡支持三種接口模式，分別是PCCard Memory Mode、PC Card I/O Mode、True IDEMode。因?yàn)門rue IDE Mode 不經(jīng)常使用，故接口電路以PC Card Memory Mode 和PC Card I/O Mode設(shè)計(jì)。

2.3 CPLD

CPLD（Complex Programmable Logic Device）是一種較PLD 復(fù)雜的邏輯元件［2］，是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計(jì)方法是借助集成開發(fā)軟件平臺(tái)，用原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜（“在系統(tǒng)”編程）將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的數(shù)字系統(tǒng)。

該文采用的CPLD 是Altera 公司的MAX7000S系列的EPM7128SQL100-10。它有84 個(gè)引腳，其中5 根用于ISP（IN System Programmable）下載，可方便的對(duì)其進(jìn)行“在系統(tǒng)”編程。EPM7128SQL100-10支持對(duì)電壓工作，可以利用Altera 公司的第四代開發(fā)平臺(tái)quartus Ⅱ方便地進(jìn)行仿真、綜合和下載。

3 硬件接口電路設(shè)計(jì)

硬件接口電路的電路圖如圖2 所示。在此電路中用CPLD 來實(shí)現(xiàn)一般CF 卡接口電路中的雙向緩沖器和與非門等一些邏輯器件的邏輯功能，使接口電路變的更為簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、高速，而且可以通過現(xiàn)場(chǎng)修改程序來實(shí)現(xiàn)不同的功能。

CF 卡中的_CD1、_CD2 是CF 卡是否安裝的狀態(tài)檢測(cè)信號(hào)，在CF 卡中接地。當(dāng)CF 卡沒有安裝時(shí)，電路中_CD1、_CD2 由上拉電阻將其輸出拉為高電平；當(dāng)CF 卡安裝時(shí)，_CD1、_CD2 由CF 卡接地輸出為低電平，_CD1、_CD2 相當(dāng)于CF 卡的總開關(guān)。在實(shí)際接口電路中_CD1、_CD2 要接10 kΩ 的上拉電阻。

將片選任務(wù)寄存器的CS4A 編程為1 則可使能EBI 的復(fù)用引腳NCS4/CFCS、NCS5/CFCE1、NCS6/CFCE2 為CompactFlash 信號(hào)CFCS、CFCE1、CFCE2，使能NOE/NRD/CFOE、NWR0/NEW/CFWE、NWR1/NBS1/CFIOR、NWR3/NBS3/CFIOW、A25/CFRNW為Compact Flash 信號(hào)CFOE、CFWE、CFIOR、CFIOW、CFRNW。這樣就可以通過訪問保留給NCS4 的地址空間來訪問外部的CF 卡。在NCS4 的地址空間中用當(dāng)前的傳輸?shù)刂穪矸直鍵/O 模式，通用存儲(chǔ)模式是標(biāo)志存儲(chǔ)模式。傳輸?shù)刂房偩€的A23 用作I/O 模式選擇。該文CF 卡用A22/REG 來分離通用存儲(chǔ)模式和標(biāo)志存儲(chǔ)模式。

在I/O 模式下，CompactFlash 的邏輯驅(qū)動(dòng)CFIOR與CFIOW 信號(hào)上SMC 的讀寫信號(hào)，此時(shí)CFOE 與CFWE 信號(hào)失效。同樣在通用存儲(chǔ)模式和標(biāo)志存儲(chǔ)模式下驅(qū)動(dòng)CFOE 與CFWE 信號(hào)上的SMC，CFIOR與CFIOW 信號(hào)失效。該邏輯如圖3 所示。

CFOE 與CFWE 通過CPLD 和CF 卡的OE 與WE連接起來，這是CF 卡在Memory Mode 的讀寫使能。

CFIOE 與CFIOW 通過是I/O Mode 的使能。除了使能信號(hào)外，其他的信號(hào)對(duì)2 種模式都是相同的。

CFCE1 與CFCE2 信號(hào)使能CF 卡的數(shù)據(jù)總線由上或是由下訪問，具體信息見表1。只有當(dāng)NCS4 引腳上的SMC 配置為驅(qū)動(dòng)8 位存儲(chǔ)器時(shí)才可進(jìn)行奇字節(jié)訪問，NCS4 地址空間中的片選寄存器必須如表1所示進(jìn)行設(shè)置。

_CD1、_CD2 為低電平時(shí)，CPU 的地址總線的低11 位A［10∶0］于CF 卡的地址總線A［10∶0］連通，CPU的數(shù)據(jù)總線的低16 位D［15∶0］與CF 卡的地址總線D［15∶0］連通。CPU 的A25/CFRNW 信號(hào)是數(shù)據(jù)流的方向的，NCS4/CFCS 信號(hào)是數(shù)據(jù)總線的傳輸使能。詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱表2。

CPU 是高速器件，CF 卡是低速器件，在CPU 給CF 卡傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)候就會(huì)發(fā)生因?yàn)榻邮账俣嚷鴣G失數(shù)據(jù)的情況。所以需要用_WAIT 信號(hào)來延遲CPU 的發(fā)送，這樣才能使CPU 的發(fā)送時(shí)序與CF 卡的接受時(shí)序匹配，使得數(shù)據(jù)的傳輸正確無誤。實(shí)際電路中CF 卡的_WAIT 信號(hào)通過CPLD 來控制CPU 的NWAIT 信號(hào)，_WAIT 要接10 kΩ 的上拉電阻。RDY/BSY 是CF 卡的工作狀態(tài)信號(hào)，當(dāng)RDY/BSY 為1 時(shí)，CF 卡已經(jīng)做好準(zhǔn)備接收新的數(shù)據(jù)；當(dāng)RDY/BSY 為0 時(shí)，CF 卡正在接受數(shù)據(jù)，這個(gè)信號(hào)也要接個(gè)10 kΩ上拉電阻。CF 卡的復(fù)位RESET 信號(hào)也是由系統(tǒng)的復(fù)位nRESET 信號(hào)在CPLD 中反相后產(chǎn)生的，以保持和系統(tǒng)的復(fù)位信號(hào)同步。

4 CPLD 程序開發(fā)

CPLD 程序在quartus Ⅱ下用Verilog HDL 語言編寫。程序經(jīng)過編譯后，下載到CPLD 中固化。連接電路板和CF 卡，對(duì)CF 卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作，測(cè)試結(jié)果表明數(shù)據(jù)傳輸正確無誤，且傳輸速率更高。

5 結(jié)束語

該文重點(diǎn)研究了如何利用CPLD 來連接基于ARM 的嵌入式系統(tǒng)與CF 卡。其中使用的CPLD 不但簡(jiǎn)化了接口電路，使其適合現(xiàn)場(chǎng)編程，同時(shí)改進(jìn)的接口電路還適合產(chǎn)生各種復(fù)雜組合邏輯和時(shí)序邏輯。這種存儲(chǔ)技術(shù)的正確性已在電路板上得到驗(yàn)證，它為基于ARM 的嵌入式系統(tǒng)的CF 卡存儲(chǔ)提供了一種有效的解決方案。