硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器采用外部總線接口與CPLD連接的優(yōu)缺點(diǎn)分析

目前，硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器采用的主流接口是高技術(shù)配置接口標(biāo)準(zhǔn)(ATA)，即IDE接口，而且絕大多數(shù)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器都采用了并行ATA接口。部分硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器同時(shí)也支持CF (Compact Flash)規(guī)范、安全數(shù)字輸入/輸出(SDIO)標(biāo)準(zhǔn)和串行ATA規(guī)范。由于并行ATA和CF是便攜手持市場(chǎng)的最普遍的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，因此本文側(cè)重討論這兩個(gè)規(guī)范。CF 3.0規(guī)范能夠在與標(biāo)準(zhǔn)IDE完全相同的真IDE模式下操作。與CF2.1相比，CF3.0增加了極端直接內(nèi)存訪問(wèn)(Ultra DMA)模式。

通常，硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器并不需要支持所有的模式。目前，1.8英寸硬盤(pán)能夠支持所有的模式，1英寸硬盤(pán)能支持到UDMA4模式。考慮到便攜消費(fèi)類市場(chǎng)對(duì)尺寸和功耗的要求，因此本文側(cè)重于討論1.8英寸或更小尺寸的硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器。這些微硬盤(pán)的實(shí)際數(shù)據(jù)吞吐量遠(yuǎn)小于他們的理論值。硬盤(pán)的直徑直接影響了數(shù)據(jù)傳輸率。例如，1英寸硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器比2.5英寸硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器要慢許多，這是因?yàn)橛脖P(pán)外直徑變小，意味著外圍磁軌的最快線速度也將同樣變小。

圖1主ATA控制與CPLD解決方案：采用一個(gè)外部總線接口或GPIO端口和一個(gè)用于連接邏輯電路的CPLD，主CPU控制ATA時(shí)序和與硬盤(pán)相關(guān)的任務(wù)。

目前，大多數(shù)便攜式低功耗嵌入式處理器都支持CF接口，但是缺乏專用的IDE控制器。雖然CF3.0支持真IDE模式和ATA規(guī)范的部分標(biāo)準(zhǔn)，但是這種方法必須依靠處理器本身來(lái)控制ATA時(shí)序和建立數(shù)據(jù)連接。而且從系統(tǒng)角度來(lái)看，這種模式在傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)效率不高。在嵌入式領(lǐng)域，當(dāng)設(shè)計(jì)師采用硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器技術(shù)時(shí)，可以選用CF接口、通用I/O端口或者一個(gè)帶有用于連接某些邏輯電路的CPLD的外部總線接口等方案來(lái)實(shí)現(xiàn)連接。這使得他們可以采用現(xiàn)有的主處理器架構(gòu)和軟件環(huán)境來(lái)更快地推出產(chǎn)品，取得市場(chǎng)先機(jī)。盡管這種方法簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)，但在采用這種方法前，設(shè)計(jì)師必須充分理解它對(duì)系統(tǒng)性能的影響。因此，在選擇一個(gè)特定的系統(tǒng)方案之前，有必要為終端應(yīng)用確定一個(gè)清晰的、可量化的性能目標(biāo)。因?yàn)橹挥羞@樣，才能夠應(yīng)用該目標(biāo)來(lái)指導(dǎo)系統(tǒng)劃分過(guò)程和決定是否有必要改善性能。

圖2 局部總線接口和QuickLogic IDE控制：采用一個(gè)外部總線接口或GPIO端口和外部硬件中的專用QuickLogic IDE控制器來(lái)加速對(duì)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器(HDD)的讀寫(xiě)。

外部總線接口與CPLD

優(yōu)點(diǎn)

本方案只需要控制信號(hào)和主處理器的部分尋址信號(hào)與CPLD連接，來(lái)產(chǎn)生硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器所需的接口信號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)中存在其他設(shè)備共享數(shù)據(jù)總線時(shí)，還需要額外的分離邏輯部件將總線與系統(tǒng)的其他部分分離開(kāi)來(lái)。從硬件角度來(lái)講，這個(gè)方案非常簡(jiǎn)單、直接而且提供了應(yīng)用所需的存儲(chǔ)。然而，系統(tǒng)設(shè)計(jì)是需要考慮數(shù)據(jù)吞吐量的可能瓶頸和對(duì)主處理器的影響。若要設(shè)計(jì)一個(gè)性價(jià)比高和有競(jìng)爭(zhēng)力的解決方案，需要滿足以下兩條件中至少一個(gè)：硬盤(pán)讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)中不包括極大數(shù)量的數(shù)據(jù)文件或豐富的多媒體內(nèi)容;性能和數(shù)據(jù)吞吐量不是系統(tǒng)的關(guān)鍵性要求。

缺點(diǎn)

當(dāng)處理器負(fù)責(zé)產(chǎn)生和控制ATA時(shí)序的時(shí)候，它將浪費(fèi)額外的周期來(lái)處理時(shí)序和數(shù)據(jù)移動(dòng)。系統(tǒng)中，性能瓶頸的多少取決于是否存在DMA控制器，以及主處理器在外部總線接口和主內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸效率。如果再加上微處理器在每次數(shù)據(jù)讀寫(xiě)中對(duì)來(lái)自硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的IO-RDY信號(hào)反應(yīng)的等待時(shí)間，將形成一個(gè)很嚴(yán)重的性能瓶頸。由于本方案直接與每個(gè)驅(qū)動(dòng)器相關(guān)的任務(wù)掛鉤，因此對(duì)CPU占用率產(chǎn)生了很大的影響。主CPU的絕大多數(shù)時(shí)間將被用來(lái)為硬盤(pán)服務(wù)，而不是執(zhí)行與應(yīng)用相關(guān)的任務(wù)。實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖畲笏俾收?qǐng)參見(jiàn)表1。

外部總線接口和QuickLogic IDE控制器

優(yōu)點(diǎn)

本方案通過(guò)在硬件中增加一個(gè)外部IDE控制器，來(lái)加速硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器數(shù)據(jù)傳輸和讀寫(xiě)控制，從而降低了流程中主處理器的負(fù)載。在本方案中，只有主處理器的本地存儲(chǔ)器總線連接到IDE橋接設(shè)備。外部IDE控制器擁有一片用于數(shù)據(jù)雙向傳輸緩沖的容量為512字節(jié)的嵌入式內(nèi)存。緩沖內(nèi)存使得主處理器實(shí)現(xiàn)了直接在512字節(jié)扇區(qū)內(nèi)執(zhí)行讀寫(xiě)操作而不必等待中斷或外部連接IDE設(shè)備的準(zhǔn)備。在等待中斷信號(hào)或者IDE控制器發(fā)送的512字節(jié)扇區(qū)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢信號(hào)的同時(shí)，主處理器可以不間斷地運(yùn)行其他任務(wù)。

在數(shù)據(jù)扇區(qū)準(zhǔn)備好后，再調(diào)用中斷機(jī)制，這使得系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)比輪流檢測(cè)機(jī)制更好的性能。與中斷機(jī)制不同，輪流檢測(cè)在增加了軟件投入的同時(shí)也降低了系統(tǒng)的性能。

如果在CPU中，存在供外部設(shè)備使用的DMA控制器，通過(guò)對(duì)主內(nèi)存數(shù)據(jù)扇區(qū)的DMA操作，可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。由于硬盤(pán)消耗大量的靜態(tài)電流，因此微瓦FPGA能夠關(guān)閉硬盤(pán)的電源來(lái)降低不讀取數(shù)據(jù)時(shí)硬盤(pán)的功耗。同樣的機(jī)理也被iPOD所采用。使用微瓦FPGA來(lái)控制硬盤(pán)功耗的主要優(yōu)點(diǎn)是，可以在數(shù)據(jù)傳輸完成以后，切斷電流關(guān)閉硬盤(pán)來(lái)節(jié)省功耗。理論上，它還可以被用來(lái)在上電的同時(shí)，啟動(dòng)硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和初始化寄存器。在該流程完成后，它將發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)到CPU，以減少處理器在處理斷電和上電任務(wù)的負(fù)載。由于不需要CPU參與這個(gè)過(guò)程，從而在更高程度上實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫連接。

使用QuickLogic超低功耗IDE控制器設(shè)備作為低功耗嵌入式處理器的配套芯片，大大提高了整體的系統(tǒng)吞吐量、降低了硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器相關(guān)任務(wù)的CPU占用率、通過(guò)降低硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的工作時(shí)間來(lái)降低系統(tǒng)功耗。相對(duì)基于SRAM和Flash技術(shù)，QuickLogic低功耗Vialink互聯(lián)技術(shù)大大降低了功耗。采用SRAM和Flash技術(shù)方案的設(shè)計(jì)將消耗幾百mA的電流。對(duì)簡(jiǎn)單CPLD方案而言，只需要增加少量成本，采用低功耗IDE橋控制器就可以實(shí)現(xiàn)提升高能效系統(tǒng)性能，最終改善終端用戶的使用效果。

圖3 采用專用的QuickLogic IDE與SDRAM控制：通過(guò)對(duì)主存儲(chǔ)器的直接存取，采用外部硬件中專用的QuickLogic IDE與SDRAM控制器來(lái)加速硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的讀寫(xiě)速率。

缺點(diǎn)

本硬件方案既簡(jiǎn)單又直接，但設(shè)計(jì)師需要考慮與主微處理器架構(gòu)和等待時(shí)間相關(guān)的數(shù)據(jù)吞吐量的潛在瓶頸。因此必須認(rèn)真考慮平臺(tái)的系統(tǒng)性能。例如，在便攜式媒體處理器中，有可能存在圖像處理器共享同一個(gè)總線。因此，如果希望得到更高的性能，可以考慮采用Quick Logic IDE與SDRAM控制器設(shè)計(jì)方案。

QuickLogic IDE與SDRAM控制器

優(yōu)點(diǎn)

如果主處理器的本地總線或SDRAM控制器，允許外部設(shè)備來(lái)控制總線并直接向主存儲(chǔ)器寫(xiě)入數(shù)據(jù)，那么橋接器可以向主存儲(chǔ)器直接存取512字節(jié)扇區(qū)的數(shù)據(jù)。這樣將大大節(jié)省主處理器的周期，消除主處理器對(duì)局部總線進(jìn)行傳輸請(qǐng)求的響應(yīng)等待時(shí)間，并且可以減少微處理器進(jìn)行磁盤(pán)相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸操作的執(zhí)行時(shí)間。這使得主處理器可以同時(shí)運(yùn)行其他系統(tǒng)進(jìn)程或降低操作速度來(lái)節(jié)省功耗。主處理器并不積極地參與跟硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器之間的數(shù)據(jù)傳輸。預(yù)先在主存儲(chǔ)器中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，可以防止在執(zhí)行中出現(xiàn)遺漏。主存儲(chǔ)器更快且更有效的數(shù)據(jù)傳輸，可降低硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的活動(dòng)時(shí)間以及硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的整體功耗。根據(jù)具體應(yīng)用的不同，功耗降低的程度也不相同。一個(gè)完整的單芯片配套解決方案是由硬件來(lái)控制數(shù)據(jù)的傳輸，從而大大增強(qiáng)系統(tǒng)的性能。由于基本數(shù)據(jù)的傳輸都在硬件中進(jìn)行處理，不必再擔(dān)心中斷反應(yīng)時(shí)間和中斷堆棧。UDMA的ATA-66也應(yīng)能夠在這方案中被實(shí)現(xiàn)，而且更能有效地提高系統(tǒng)性能。

缺點(diǎn)

一般情況下，只有一個(gè)外部主設(shè)備可以對(duì)SDRAM進(jìn)行直接訪問(wèn)。大部分具有外部圖形協(xié)處理器或者其他相關(guān)硬件加速器的CPU，都具有專供該外部設(shè)備使用的SDRAM控制，使得IDE失去了用武之地。雖然可編程QuickLogicIDE橋接處理器中使用的某些仲裁邏輯可以允許超過(guò)一個(gè)總線主控，但是一般情況下，系統(tǒng)要求專用硬件加速器必須具有優(yōu)先級(jí)別和總線讀寫(xiě)。本方案有利于提升系統(tǒng)性能和驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)，但是隨著系統(tǒng)內(nèi)存總線速率的提升和向DDR SDRAM技術(shù)的轉(zhuǎn)移，允許外部?jī)?nèi)存總線主控的CPU已經(jīng)不再是主流產(chǎn)品。而且，由于SDRAM控制器和用于控制的外部總線接口，這種方案還需要配備更多的邏輯電路，這就不可避免地增加了該設(shè)計(jì)的成本。

性能測(cè)試

用于低功耗應(yīng)用領(lǐng)域的嵌入式處理器缺乏硬盤(pán)控制器，這使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)師不得不自己解決連接性難題。支持下一代迷你硬盤(pán)的標(biāo)準(zhǔn)如CE-ATA(類似SDIO協(xié)議)和iVDR(基于串行ATA)可能進(jìn)一步延緩在新SoC上硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器控制器的出現(xiàn)。

然而，由于處理器和硬盤(pán)消耗了大量的系統(tǒng)功耗，因此，要想實(shí)現(xiàn)主內(nèi)存和硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)之間的更有效的信息傳遞必然會(huì)影響電池的壽命。巧妙地采用橋接器，可以提高主內(nèi)存和硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)這兩個(gè)子系統(tǒng)處于節(jié)電狀態(tài)的時(shí)間百分比，從而實(shí)現(xiàn)更高的電池效率。

QuickLogic提供了超低功耗的IDE橋接控制器作為配套芯片來(lái)連接低功耗嵌入式處理器，從而在提升系統(tǒng)性能的同時(shí)減少了硬盤(pán)存儲(chǔ)相關(guān)作業(yè)的CPU占用率，最大限度地降低了功耗。QuickLogic提供的IDE橋接器可以在實(shí)際應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)10Mbps~13Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。尤其是該產(chǎn)品基于QuickLogic 微瓦FPGA技術(shù)，這意味著移動(dòng)平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以跨越基于傳統(tǒng)SRAM的FPGA造成的功耗限制和CPLD性能的挑戰(zhàn)。同時(shí)它還遵循正興起的總線標(biāo)準(zhǔn)，并具有整合額外系統(tǒng)功能的能力。

人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到，在便攜式系統(tǒng)增加額外系統(tǒng)功能的同時(shí)，必須注意其對(duì)電池壽命的影響。系統(tǒng)性能和功耗的最佳搭配，是通過(guò)在基于可編程邏輯的配套設(shè)備中，用硬件方法實(shí)現(xiàn)大量的數(shù)學(xué)算法和數(shù)據(jù)通道管理，而不是在嵌入式處理器上用軟件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。QuickLogic配套芯片方法可以為系統(tǒng)設(shè)計(jì)師提供更多的工具來(lái)權(quán)衡系統(tǒng)性能和功耗，從而實(shí)現(xiàn)最佳搭配。