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CF卡與雙核DSP的實現
摘要：介紹了目前PC機中最為流行的硬盤接口技術和磁盤文件管理系統，并在此基礎上實現了雙核TMS320VC5421與CompactFlash存儲卡的接口，解決了嵌入式系統普遍存在的數據空間狹小的問題。關鍵詞：DSPIDE接口硬盤文件管理系統CompactFlash存儲卡
目前，許多工業檢測系統要求其前端設備能實時采集大量數據，有些系統甚至還要求其前端設備能夠完成實時的數據處理。因此一般工業檢測系統將其前端嵌入式系統與一臺PC機相連或其前端設備就是一臺PC機，再通過網絡將采集到的數據傳遞給主控制系統。這類工業檢測系統體積較大且對外部的環境要求高。
本文實現了TMS320VC5421與CompactFlash存儲卡（以下簡稱CF卡）的接口。利用DSP的高速數字信號處理能力可完成數據的實時采集和處理；利用CF卡的容量大、非易失性和即插即用的特性可完成數據保存和傳輸。因此TMS320VC5401與CF卡的接口在工業檢測前端系統的應用中有很好的前景。
1TMS320VC5421芯片介紹
數字信號處理器（DSP）是數字信號處理理論與超大規模集成電路（VLSI）技術融合的結晶。TMS320VC5421更是定點系列DSP中的佼佼者。其系統框架如圖1所示。
TMS320VC5421有4個主要特點：
（1）TMS320VC5421包含兩個獨立的DSP子系統。每個子系統都有獨立的程序空間、數據空間和I/O空間，且每個子系統分別具有片內4套總線即4條地址總線、4條數據總線（3種數據總線用來訪問片內數據空間，1條數據總線用來訪問程序空間）和2個地址發生輔助寄存器來實現并行運算和并行存儲功能，提高CPU的運算效率。
（2）TMS320VC5421的每一個子系統都有6個獨立的DMA通道，且可對每個DMA通道進行獨立編程。TMS320VC5421的兩個子系統的所有程序空間、數據空間和I/O空間都在每個DMA通道的尋址范圍內。
（3）TMS320VC5421的工作頻率最高可達到100MIPS，且兩個子系統的工作時鐘統一由子系統A控制。
（4）TMS320VC5421的兩個子系統之間同步信號可以由IPIRQ中斷提供。
TMS320VC5421有3種方式實現不同子系統中的數據傳輸：
（1）將數據存放在兩個子系統共享的128KB程序空間中，由共享的128KB程序空間實現數據傳遞。
（2）將數據存放在與兩個系統分別相連的16字的FIFO中，由FIFO實現兩個子系統的數據傳遞。
（3）通過DMA將數據傳輸到任意子系統的任意空間。
2CompactFlash存儲卡產品介紹
CompactFlash技術是由CompactFlash協會（CFA）提出的一種與PC機的ATA接口標準兼容的新技術，它致力于開發一種先進的、速度快、容量大、體積小、質量輕、功耗低且可移動的數字信息存儲產品。
由圖2可知，CF卡包含兩個基本部分：片內的芯片控制器和片內的存儲模塊。片內的存儲模塊用來存儲數字信息，片內的芯片控制器用來實現與主機的接口及控制數據在存儲模塊中的傳輸。
2.1CF卡控制器
CF卡控制器中包含兩組寄存器：命令寄存器和控制寄存器。命令寄存器用來接受命令和傳輸數據；控制寄存器用作磁盤控制。這兩個寄存器組通過REG信號進行區分。控制寄存器組主要用于控制CF卡的工作方式；命令寄存器組被分配在與ATA標準兼容的地址空間。當CF卡工作在I/O方式下，命令寄存器組的地址空間為IF0H～1F7H和3F6H～3F7H；當CF卡工作在寄存器方式下，命令寄存器組的地址空間為1F0H～1FFH。
當CF卡工作在存儲器方式下，CF卡按照ATA標準以寄存器方式傳送數據、命令和地址。些寄存器除數據寄存器為16位外，其它寄存器均為8位。
數據寄存器（R/W）：這是一個16位數據寄存器，用于對扇區的讀寫操作。主機通過該寄存器向CF卡卡控制器寫入或從CF卡控制寄存器讀出扇區緩沖區的數據。
錯誤寄存器（R）和特性寄存器（W）：錯誤寄存器反映控制寄存器在診斷方式或操作方式下的錯誤原因。特性寄存器一般不使用。
扇區數寄存器（R/W）：用來記錄讀、寫命令的扇區數目。
扇區號寄存器（R/W）：用來記錄讀、寫和校驗命令指定的起始扇區號。
柱面號寄存器（R/W）：用來記錄讀、寫、校驗和尋址命令指定的柱面號。
驅動器/磁頭寄存器（R/W）：記錄讀、寫、校驗和尋道命令指定的驅動器號、磁頭號和尋址方式（CHS模式或LBA模式）。
狀態寄存器（R）和命令寄存器（W）：狀態寄存器反映CF卡驅動器執行命令后的狀態，讀該寄存器要清除中斷請求信號。命令寄存器接收主機發送的CF卡工作的命令控制字[1]。
2.2CF卡的編址方式
CF卡的扇區尋址有兩種方式：物理尋址方式（CHS）和邏輯尋址方式（LBA）。物理尋址方式使用柱面、磁頭和扇區號表示一個特定的扇區。起始扇區是0磁道、0磁頭、1扇區，接下來是2扇區，一直到EOF扇區；接下來是同一柱面1頭、1扇區等。邏輯尋址方式將整個CF卡同一尋址。邏輯塊地址和物理地址的關系為：
LBA地址=(柱面號×磁頭數+磁頭號)×扇區數+扇區數-1
采用邏輯尋址方式，沒有磁頭和磁道的轉換操作，因此在訪問連續扇區時，操作速度比物理尋址方式塊。
3磁盤文件管理系統簡介
為了能夠對大容量磁盤上的數據進行有效的管理，Win9X在磁盤上建立了一個文件系統。該文件系統可對磁盤上的數據進行有效的管理。
磁盤文件系統將整個磁盤劃分為4個獨立的區域，每個區域包含磁盤的獨立信息，且這4個獨立區域中的信息組合成一個完整有效的磁盤文件管理系統，如表1所示。
表1磁盤文件管理系統結構
DOS引導扇區文件分配區（FAT）根目標區（FDT）文件數據區
（1）DOS引導扇區：該扇區是磁盤的引導扇區，包含一些重要的磁盤系統信息，如：磁盤總共包含多少個扇區，每個族包含多少個扇區，每個扇區包含多少個字節等。通過這些磁盤系統信息可以計算出磁盤的容量、FAT表和FDT表的起始位置以及文件數據存放的起始位置等。
（2）文件分配區（FAT）：文件分配區包含兩個完全相同的FAT表，其中一個FAT表用作備份FAT。每個FAT表以16字節為個單元。FAT的每一個單元都映射磁盤上的一個簇，其中的值就反映了該簇的使用情況。
（3）根目錄區（FDT）：根目錄區專用來存放根目錄下的文件信息。根目錄下的每一個文件在該目錄區都對應一個32字節的目錄項。這32字節的目錄項包含文件的名稱、屬性、文件的長度、文件在磁盤上的起始簇號、文件建立和最后修改和日期和時間等。這些32字節的小單元互相首尾相接，中間沒有任何分隔標志。
（4）文件數據區：該區是磁盤存放所有信息的場所為了便于管理，文件管理系統以簇為單位將文件分配在文件數據區的存儲空間。1族總是2n個連續扇區。文件在文件數據區存放的起始位置存放在其對應目錄下的FDT表中，當文件的長度大于1K時，文件數據區的后續位置保存在FAT表中，即對應的FAT單元中的數值就是文件的后續部分所存放位置的簇號。
文件管理系統通過以上4個區域實現對磁盤上的文件進行有效的管理。文件管理系統將文件數據存放在文件數據區，將文件的屬性存放在文件對應目錄下的FDT表中，將文件的存放位置存放在FAT表中。因此文件管理系統通過FAT表和FDT表可以很方便地對文件數據區的文件進行管理。
4TMS320VC5421與CF卡的硬件接口
TMS320VC5421對外有I/O、程序和數據3個并行的16位訪問空間，分別由對應的空間選擇信號線選通。本硬件電路選用TMS320VC5421的I/O空間與CF卡接口，采用數據線分時復用方式。
如圖3所示，本電路使用DSP子系統A與前向通道相連。DSP子系統A對采集到的數據進行實時處理，完成數據的實時處理后，通過核間的3種數據傳輸方式將采集到的數據發送到DSP子系統B中，并且通過核間中斷IPIRQ通知DSP子系統B可以存儲CF卡。
4.1CF卡即插即用的實現
（1）硬件提供判斷條件。CF卡為了實現即插即用的功能，在自身電路上提供了兩個用來檢測CF卡是否存在的管腳（CD1、CD2）。CD1和CD2的有效電平為低電平，即當主機檢測到與其相連的CD1和CD2兩個管腳同時為低電平時，可判斷出CF卡與主機相連；當主機檢測到與其相連的CD1和CD2有一個管腳不為低，則可判斷出CF卡未與主機相連。
（2）軟件實現。首選定義全局變量（如：IsExist）用于記錄CF卡是否與主機相連，當IsExist為0時表示CF卡未與主機相連；當IsExist為1時表示CF卡與主機相連。其次在每次操作CF卡時檢測CF卡的CD1和CD2管腳。當檢測到CD1和CD2管腳為低電平且IsExist為0時復位CF卡，重新檢測CF卡的FAT表統計還剩余多少空間可以分配，檢測完FAT表后置變量IsExist為1。當檢測到CD1和CD2管腳為低電平且IsExist為1時，繼續CF卡的正常操作。當檢測到CD1和CD2為高時，停止CF卡操作，置變量IsExist為0。
4.2文件的存儲
向CF卡創建文件的流程如圖4所示。在CF卡初始化后（包含CF卡上電復位和統計剩余空間等），DSP向CF卡存儲數據的核心部分就是首先向一些必要的寄存器填寫必要的信息，如向扇區號寄存器填寫讀寫數據的起始扇區號（LBA地址）和扇區數寄存器填寫讀寫數據所占的扇區個數等。然后向CF卡的命令寄存器寫入CF卡操作的命令字，如寫操作則向CF卡的命令寄存器寫入30H，讀操作向CF卡的命令寄存器寫入20H等。
本文介紹的TMS320VC5421與CF卡的接口電路已在實際印刷電路板上成功實現，該小型系統在工業設備的前端電路中具有廣闊的應用前景。
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