📄 基于gpif的usb-ata解决方案.htm
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<TBODY>
<TR>
<TD colSpan=2>
<TABLE class=main_title_760 style="WORD-BREAK: break-all" cellSpacing=0
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<TBODY>
<TR>
<TD vAlign=center width="3%"><IMG height=14
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<TD width="66%"><FONT color=blue>[组图]</FONT>基于GPIF的USB-ATA解决方案</TD>
<TD width="18%"> <FONT
color=red>热</FONT> <FONT
color=#009900></FONT></TD>
<TD align=right width="13%">【字体：<A class=top_UserLogin
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<TD class=main_ArticleTitle style="WORD-BREAK: break-all" colSpan=2
height=50>基于GPIF的USB-ATA解决方案</TD></TR>
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<TD class=main_ArticleSubheading style="WORD-BREAK: break-all" colSpan=2
height=20></TD></TR>
<TR class=left_tdbgall align=middle>
<TD
colSpan=2>作者：杭州浙江大学电气工程学院（310027）张剑波 颜钢锋 文章来源：电子技术应用 点击数：1837 更新时间：2005-5-6</TD></TR>
<TR>
<TD class=main_tdbg_760 id=fontzoom style="WORD-BREAK: break-all" vAlign=top
colSpan=2 height=300>
<P class=MsoNormal><SPAN
style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">
<B>摘要：</B></SPAN>利用EZ-USB
FX及FX2系列中GPIF的功能，提出了一套解决USB-ATA的可行性方案，并给出了单片机控制硬盘时PIO模式和UDMA模式的实现方法。此方案具有速度快、性能高、占用CPU资源少等特点。</P>
<P class=MsoNormal><SPAN
style="FONT-FAMILY: 宋体; mso-ascii-font-family: 'Times New Roman'; mso-hansi-font-family: 'Times New Roman'">
<B>关键词：</B></SPAN>ATA接口 通用可编程接口（GPIF） 通用串行总线（USB） UDMA模式</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">目前，通过单片机去控制硬盘的ATA接口，<IMG height=316 hspace=1
src="基于GPIF的USB-ATA解决方案.files/20050506214803591.gif" width=402 align=right
vspace=1
border=0>大多采用PIO模式实现，速度和性能上都不狗理想，硬盘与PC机的连接也相当繁琐。要频繁地与PC机交换大量资源，采用USB硬盘是一个相当好的解决方案。本文给出一个如何利用单片机完成对硬盘的读写，同时具有USB-ATA功能的可行方案。</P>
<P style="TEXT-INDENT: 0px"><B>1 USB、GPIF、ATA接口</B></P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">1.1 USB总线</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">USB（Universal Serial
Bus）[4]是一种串行接口的新标准，其主要优点是速度快、功耗低、支持即插即用（Plug &
Play）、使用安装方便。USB支持最多5个Hub层以及127个外设，所有外设通过协议共享USB的带宽。目前使用中的USB协议有1.0、1.1和2.0三个版本，通过速率分别为1.5Mbps、12Mbps、480Mbps，USB协议向下兼容。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">从逻辑结构上讲，USB数据的传输是通过管道进行的，管道的两端连接host和device的端点BUFFER，BUFFER的大小直接影响通讯的速率。USB系统软件通过缺省管道（与端点0相对应）管理设备，设备驱动程序通过其它管道来管理设备的功能接口。每一个USB设备在主机看来就是一个端点的集合，主机只能通过端点与设备进行通讯。在USB系统中，每一个端点都有唯一的地址，这是由设备地址和端点号给出的。每个端点都有一定的特性，其中包括：传输方式、总线访问频率、带宽、端点号、数据包的最大容量等。根据应用场合的同选择相应的端点类型。USB数据流模型见图1。</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">1.2 GPIF</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">GPIF（general programmable
interface）[1、2]即通用可编程接口，是CYPRESS公司在其EZ-USB
FX以及FX2系列单片机里设计的一个可由用户编程的接口，具有快速、灵活等特点，可使用多种协议完成与外围器件的无缝连接，如EIDE/ATAPI、IEEE1284、Utopia等。对其可以根据需要进行编程，且运行中不需要CPU的干预，仅通过一些CPU标志和中断与增强型8051内核通讯。GPIF与8051内核的关系见图2。<BR><IMG
height=314 hspace=30 src="基于GPIF的USB-ATA解决方案.files/20050506214803764.gif"
width=483 vspace=10 border=0><BR><FONT size=3>
</FONT><SPAN class=main1>GPIF主要组成部分：</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">（1）ADR[5..0]：地址线，可作为扩展存储器的低位地址，在连续执行GPIF动作时具有自动增一功能。可对其对应的寄存器进行读写（FX2系列中扩充为9根地址线）。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">（2）RDY[5..0]：输入Ready信号，可对指定的信号进行连续采样，以确定GPIF动作继续、等待或是反复不断采样，直到信号的指定状态出现。通常用来等待指定信号的某个状态出现，然后继续剩余动作。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">（3）CTL[5..0]：输出Control信号，根据编程指令输出高低电平或集电极开路。通常用作选通信号、非总线输出信号，以及产生简单的脉冲信号。</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">（4）FD[15..0]：双向FIFO数据线，一般又称AFI、BFI。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">（5）IFCLK：时钟接口，决定使用外接时钟还是使用内部48MHz或30MHz时钟周期。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">（6）GSTATE[2..0]：当前GPIF状态数，可用来判断当前GPIF工作状态，一般调试用。</P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">（7）GPIF
PROGRAM：GPIF程序存储区间0x7900～0x797F,存储GPIF指令，可存储4组波形的程序代码（FX2系列存储区间为0xE400～0xE47F）。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">每个GPIF动作都由七段组成：Interval0～Interval6，简称I0～I6。执行完I0～I6的动作后，最后都进入IDLE（I7），即空闲状态，以准备启动下次GPIF动作。每个Interval可以定义为Non-Decision
Interval，简称NDP；或是Decision Point Interval，简称DP。</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">当某个Interval定义为NDP，在执行这个Interval动作时，只是简单地延时，用来确定产生指定电平的延续时间；而当Interval定义为DP时，它将根据RDY0～RDY5上的输入信号状态，以及内部FIFO的可编程标志和一个内部自定义的Internal
Ready标志，将这些信号进行逻辑与、逻辑或，或是进行逻辑异或，根据得到的逻辑结果在I0～I6中选择下一个即将执行的Interval。在每个Interval执行时，都可指定CTL0～CTL5输出用户指定的状态。通过RDY和CTL以及内部一些标志位的组合，能完成各种复杂的时序电路的控制。<BR><IMG
height=577 hspace=10 src="基于GPIF的USB-ATA解决方案.files/20050506214803175.gif"
width=546 vspace=10 border=0><BR></SPAN><FONT size=3>
</FONT><SPAN class=main1>1.3 ATA接口</P>
<P
style="TEXT-INDENT: 30px">ATA[3]接口是在ST506基础上改进而成的，它将控制器集成到驱动器中，采用8个端口寄存器完成对硬盘的读写。这些端口寄存器统称为命令块寄存器，各寄存器功能见表1。ATA有两种工作模式：PIO模式和DMA模式。PIO传输模式是由处理器负责信息的传输，以扇区为单位，用中断请求方式与处理器进行数据交换。DMA传输模式分多点DMA和UDMA两种方式，其不需要处理器参与整个数据传输过程，而由I/O口直接将数据传送到存储器中，从而节约大量CPU时间，可更好地其他事务。UDMA中采用了冗余校验技术（CRC）。控制器对硬盘的操作分为两种：8位数据的命令操作和16位数据的数据传输操作。在对硬盘输出控制命令前，程序需对端口完整输出7字节的命令块。其中前六个端口输出为参数，最后一个端口为命令码。在读写数据端口时，以512个字节作为数据块进行读写。硬盘执行命令后，发出中断请求，表示操作结束（结束传输）；或置控制器状态空闲，表示扇区请求传输（数据传输）。然后，控制器读取硬盘状态寄存器，检测硬盘操作的成功与否。操作正常，则进行下一次动作；否则，进入错误处理程序。状态寄存器各位信息描述见表2。<BR><BR><B>表1
端口寄存器功能及地址分配</B></P>
<TABLE borderColorDark=#ffffff width="100%" borderColorLight=#000000
border=1>
<TBODY>
<TR class=main>
<TD align=middle width="10%">A1</TD>
<TD align=middle width="10%">A2</TD>
<TD align=middle width="12%">A3</TD>
<TD align=middle width="29%">扇区读操作</TD>
<TD align=middle width="29%">扇区写操作</TD>
<TD align=middle width="10%">位数</TD></TR>
<TR class=main>
<TD align=middle width="10%">0<BR>0<BR>0<BR>0<BR>1<BR>1<BR>1<BR>1</TD>
<TD align=middle width="10%">0<BR>0<BR>1<BR>1<BR>0<BR>0<BR>1<BR>1</TD>
<TD align=middle width="12%">0<BR>1<BR>0<BR>1<BR>0<BR>1<BR>0<BR>1</TD>
<TD
width="29%">数据寄存器<BR>错误寄存器<BR>扇区计数器<BR>扇区号寄存器<BR>柱面号寄存器（低字节）<BR>柱面号寄存器（高字节）<BR>驱动器/头寄存器<BR>状态寄存器</TD>
<TD
width="29%">数据寄存器<BR>写预补偿寄存器<BR>扇区计数器<BR>扇区号寄存器<BR>柱面号寄存器（低字节）<BR>柱面号寄存器（高字节）<BR>驱动器/头寄存器<BR>命令寄存器</TD>
<TD align=middle
width="10%">16<BR>8<BR>8<BR>8<BR>8<BR>8<BR>8<BR>8</TD></TR></TBODY></TABLE>
<P style="TEXT-INDENT: 0px"><B>表2 状态寄存器各位信息</B></P>
<TABLE height=42 borderColorDark=#ffffff width="100%"
borderColorLight=#000000 border=1>
<TBODY>
<TR class=main>
<TD align=middle width="25%" height=14>符号</TD>
<TD align=middle width="25%" height=14>位</TD>
<TD width="25%" height=14>描述</TD>
<TD align=middle width="25%" height=14>真值</TD></TR>
<TR class=main>
<TD align=middle width="25%"
height=16>BSY<BR>DRDY<BR>DWF<BR>DSC<BR>DRQ<BR>CORR<BR>IDX<BR>ERR</TD>
<TD align=middle width="25%"
height=16>7<BR>6<BR>5<BR>4<BR>3<BR>2<BR>1<BR>0</TD>
<TD width="25%"
height=16>控制器忙<BR>驱动器就绪<BR>驱动器故障<BR>寻道结束<BR>服务请求<BR>ECC检验错误<BR>收到索引<BR>命令执行出错</TD>
<TD align=middle width="25%"
height=16>1<BR>1<BR>1<BR>1<BR>1<BR>1<BR>1<BR>1</TD></TR></TBODY></TABLE>
<P style="TEXT-INDENT: 0px"><B>2 GPIF与ATA接口的硬件连接</B></P>
<P style="TEXT-INDENT: 30px">GPIF与ATA接口的连接见表3。<BR><BR><B>表3
GPIF接口与ATA接口的硬件连接*</B></P>
<TABLE borderColorDark=#ffffff width="100%" borderColorLight=#000000
border=1>
<TBODY>
<TR class=main>
<TD align=middle width="25%">GPIF信号线</TD>
<TD align=middle width="25%">ATA接口信号线</TD>
<TD align=middle width="25%">GPIF信号线</TD>
<TD align=middle width="25%">ATA接口信号线</TD></TR>
<TR class=main>
<TD align=middle
width="25%">PA3<BR>PB[0..7]<BR>PD[0..7]<BR>ADR[0..2]<BR>PC6<BR>PC7<BR>RDY1</TD>
<TD align=middle
width="25%">RESET<BR>DD[0..7]<BR>DD[8..15]<BR>DA[0..2]<BR>CS0<BR>CS1<BR>IOCS16</TD>
<TD align=middle
width="25%">RDY0<BR>CTL0<BR>CTL1<BR>CTL2<BR>PC3<BR>RDY2<BR>INT0</TD>
<TD align=middle
width="25%">IORDY<BR>DIOW<BR>DIOR<BR>DMACK<BR>DASP<BR>DMARQ<BR>INTRQ</TD></TR></TBODY></TABLE>
<P style="TEXT-INDENT: 0px"><FONT
size=1>*KEYPIN、PDIAG引脚悬空，此处不涉及该引脚功能的实现。</FONT><BR><BR>
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