給予F240的IDE接口仿真器的設(shè)計(jì)

<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />摘 要:本文介紹了以為核心設(shè)計(jì)IDE接口仿真器的硬件和軟件設(shè)計(jì)方法．突出特點(diǎn)是硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)練實(shí)用，監(jiān)控軟件精巧靈活，在設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)調(diào)試工具中具有典型性和實(shí)用性，對(duì)其它系統(tǒng)的調(diào)試方法也有借鑒。
關(guān)鍵詞:仿真器 監(jiān)控程序 硬件調(diào)試 IDE接口

隨著航空電子系統(tǒng)數(shù)字化的發(fā)展，機(jī)載嵌入式計(jì)算機(jī)也逐步擺脫了"純粹嵌入"時(shí)代，開(kāi)始以主要控制角色而顯露頭腳，其存儲(chǔ)系統(tǒng)也和地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣提出了"海量存儲(chǔ)"的要求．借鑒和使用IDE接口是一條重要途徑。但在調(diào)試時(shí)一般缺乏IDE接口主方(Host)控制器。PC機(jī)雖然帶有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的集成在主板上的IDE接口，但在目前的Windows系統(tǒng)下卻是透明的，無(wú)法在硬件調(diào)試級(jí)進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)。"工欲善其事，必先利其器"。為解決調(diào)試工具，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)IDE接口仿真器。硬件簡(jiǎn)練實(shí)用，軟件精巧靈活。

仿真器硬件設(shè)計(jì)
眾所周知，IDE/ATA接口是16Bit總線(xiàn)，映象在主機(jī)的I/O空間。由主機(jī)對(duì)接口內(nèi)的2組寄存器操作而完成"海量存儲(chǔ)"。這些寄存器僅由2根片選/CS1FX、/CS3FX和3根地址線(xiàn)(A2A1A0)來(lái)尋址。仿真器硬件只要能在監(jiān)控程序的控制下產(chǎn)生對(duì)應(yīng)控制信號(hào)，便能真實(shí)仿真IDE調(diào)試所需的環(huán)境。信號(hào)方向以仿真器為參照，輸出方向由仿真器驅(qū)動(dòng)，輸入信號(hào)由IDE設(shè)備驅(qū)動(dòng)。
IDE接口的讀寫(xiě)時(shí)序和一般CPU外設(shè)時(shí)序波形相似，其讀寫(xiě)周期為70ns，具體波形不再給出。使用TI公司的TMS320可以方便地仿真出IDE的時(shí)序波形。只要使用外部READY信號(hào)，把I/O周期延長(zhǎng)到70ns以上就可以保證仿真數(shù)據(jù)讀寫(xiě)可靠。以為核心，仿真器硬件設(shè)計(jì)就非常簡(jiǎn)練。除去初期調(diào)試和驅(qū)動(dòng)芯片外，整個(gè)核心就是F240和，能仿真全部的IDE時(shí)序波形。圖1是仿真器自身調(diào)試仿真監(jiān)控程序電路。使用2片，組成32K x 16Bit的片外RAM程序存儲(chǔ)器空間。當(dāng)程序調(diào)試完成后，將H1斷接，將監(jiān)控程序通過(guò)JTAG口直接燒入F240，就可以拔去2片外部程序存儲(chǔ)器。
當(dāng)仿真監(jiān)控程序調(diào)試完成后，正式定型的仿真核心電路如圖2所示。電路設(shè)計(jì)總的原則是簡(jiǎn)練實(shí)用。所以復(fù)位采用普通的RC電路，外加手工復(fù)位SW保證仿真器自身復(fù)位。和主機(jī)之間利用通訊，減少硬件額外開(kāi)銷(xiāo)。IDE接口的中斷請(qǐng)求HIRQ直接F240的外部中斷XINT1。因?yàn)镠IRQ高電平有效，所以將其余不用的外部中斷XINT2等接地，保證其余中斷源不產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，減少軟件中斷響應(yīng)多重判斷環(huán)節(jié)。將F240的PB端口設(shè)置為輸出端口，DMA請(qǐng)求HDRQ接到PB端口的最低位PB0，可以直接由硬件檢測(cè)DRQ狀態(tài)即可，并不真正需要DMA控制器。 將F240的PC端口設(shè)置為輸出端口，最高位PC7為復(fù)位IDE端口信號(hào)。當(dāng)該位設(shè)置為0(低電平)時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位IDE設(shè)備信號(hào)/HDRST，該位設(shè)置為1時(shí)結(jié)束復(fù)位。其復(fù)位時(shí)間可由軟件控制。IDE設(shè)備的寄存器映象在F240的I/O空間從0000H開(kāi)始的16個(gè)地址。外部I/O只有IDE接口，不必采用全譯碼，直接由I/O片選/IS和地址A3區(qū)分產(chǎn)生/CF1FX和/CS3FX。接口內(nèi)偏移地址直接由A2..A0提供。F240的寫(xiě)信號(hào)/WR可以直接作為接口寫(xiě)信號(hào)。但是F240的讀信號(hào)是狀態(tài)信號(hào)，在連續(xù)讀操作中保持低電平，并無(wú)上升沿，所以需要專(zhuān)門(mén)產(chǎn)生讀信號(hào)。PC主機(jī)通過(guò)串口和仿真器通訊，監(jiān)控仿真器，從而驅(qū)動(dòng)調(diào)試的IDE設(shè)備。仿真器和IDE設(shè)備通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的硬盤(pán)連接，為提高信號(hào)抗干擾，這些信號(hào)經(jīng)過(guò)總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。
數(shù)據(jù)通路用16路驅(qū)動(dòng)的IDT74LS16245實(shí)現(xiàn)，開(kāi)門(mén)信號(hào)直接由I/O片選信號(hào)/IS控制，方向端由寫(xiě)信號(hào)/WR控制。而單向提供給IDE設(shè)備的其它信號(hào)，都經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)。所有控制信號(hào)由全部實(shí)現(xiàn)，以下是其控制邏輯代碼。
EQUATIONS
!HRST = !POR # !HRST; // RC上電復(fù)位 和 F240設(shè)置復(fù)位都產(chǎn)生 IDE復(fù)位
!CS1FX =!IS &!A3; //A3=0:產(chǎn)生第一組寄存器片選 /CS1FX
!CS3FX =!IS &A3; //A3 =1:產(chǎn)生第二組寄存器片選 /CS3FX
!IOR = !IS & !RD; // 專(zhuān)門(mén)產(chǎn)生寄存器讀信號(hào)
[Q1,Q0].CLK = CPUCLK;
[Q1,Q0].OE = !OE;
[Q1,Q0].AR = !.POR; //復(fù)位
//F240 系統(tǒng)控制狀態(tài)機(jī).
//其時(shí)鐘 ,每一拍50ns
//程序存儲(chǔ)器 讀寫(xiě)周 期 <= ,無(wú)需等待
//IDE接口寄存器讀寫(xiě)周期>= 70ns,等 待2拍足矣.
State_Diagram [Q1,Q0];
State S0: // 空閑狀態(tài).
READY = H; // 支持 CY7C199訪(fǎng)問(wèn).
if (!IS) then // 要訪(fǎng)問(wèn)IDE接口寄存器.
S1 {READY240 = L;}
State S1: // 開(kāi)始等待
READY240 = L;
goto S2;
State S2:
READY240 = L;
goto S3;
State S3: // 時(shí)間到.
READY240 = H;
goto S0; // F240對(duì)READY信號(hào)只采樣一次.
END
仿真硬件的核心只有一片F(xiàn)240和一片而已。
仿真器監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)包括駐留在F240的監(jiān)控程序和PC宿主機(jī)的監(jiān)控程序。兩者之間通過(guò)串口配合工作。這當(dāng)然降低了IDE接口的數(shù)據(jù)吞吐率，但在邏輯仿真調(diào)試時(shí)不是主要焦點(diǎn)。為簡(jiǎn)約起見(jiàn)，避免復(fù)雜的詞法分析，主從之間采用單字符監(jiān)控命令。其串口監(jiān)控命令通訊幀定義如下：
其校驗(yàn)和為前n-1個(gè)字節(jié)代數(shù)和的補(bǔ)碼，即
= -∑Bi (i=0,1.. n-1)
下面介紹幾個(gè)主要命令和程序?qū)崿F(xiàn)方法
1 .I 命令: 讀IDE寄存器
當(dāng)監(jiān)控程序識(shí)別出I命令后，根據(jù)參數(shù)提供的寄存器索引，映射為對(duì)應(yīng)的I/O地址。F240的輸入/輸出命令和x86系列不同，它在指令中必須直接給出地址。
LACC Reg
BZ IsDatReg // 0號(hào)索引，即讀數(shù)據(jù)寄存器
SUB #1
BZ IsError // 1號(hào)索引，即讀錯(cuò)誤類(lèi)型寄存器
BZ IsAltReg // 8號(hào)索引，即讀后備狀態(tài)寄存器
SUB #1
BZ IsDrvAddrReg // 9號(hào)索引，即讀驅(qū)動(dòng)器地址寄存器
IsDatReg
IN ,DatReg // 讀數(shù)據(jù)寄存器
RET
IsAltReg:
IN ,DevAddrReg // 讀驅(qū)動(dòng)器地址寄存器
RET
當(dāng)I命令執(zhí)行完畢，應(yīng)該將寄存器讀入值回送PC主機(jī)。2 .O命令: 寫(xiě)IDE寄存器
寄存器輸出命令參數(shù)需要提供寄存器索引，和映射為對(duì)應(yīng)的I/O地址。3 .H 命令: 硬件復(fù)位IDE設(shè)備
硬件復(fù)位時(shí)應(yīng)將F240的IOPC7管腳設(shè)置為低電平10ms以上。如下
LDP #00E1h ;DP = 00E1H: 7080H-70FFH 的頁(yè)址
LACL #8000H ;D15 = 1: IOPC7: 做輸出.
;D7= 0:設(shè)置IOPC7= 0
PCDATDIR ;寫(xiě)PC端口,設(shè)置/HRST信號(hào)為低電平
Delay10ms ;保持復(fù)位信號(hào)10ms 的低電平
LACL #8080H ;D15= 1: IOPC7: 做輸出.
;D7 = 1:設(shè)置IOPC7 = 1
PCDATDIR ;恢復(fù) /HRST信號(hào)為高電平
類(lèi)似地，監(jiān)測(cè)DMA請(qǐng)求HDRQ狀態(tài)時(shí)可以設(shè)置端口為輸入屬性，然后讀入IOPB0。監(jiān)測(cè)中斷請(qǐng)求HIRQ時(shí)，可以直接讀XINT1狀態(tài)，即讀 7070H處的XINT1CR寄存器。
4 .S 命令: 軟件復(fù)位IDE設(shè)備
軟件復(fù)位時(shí)可以向IDE接口的DevCtrlReg(設(shè)備控制寄存器)寫(xiě)入適當(dāng)值實(shí)現(xiàn),如下
LDP #0; //指向.bss變量區(qū)
SPLK #000EH,; //D2 = SW Rst = 1:軟件強(qiáng)制復(fù)位
//D1=/IEn=1:禁止IDE發(fā)中斷
OUT Value, DevCtrlReg; //復(fù)位 IDE設(shè)備
Delay10ms; //保持復(fù)位狀態(tài)10ms
SPLK #000AH,Value; //D2= SW Rs= 0 : 結(jié)束復(fù)位狀態(tài)
OUT Value, DevCtrlReg
Delay10ms
SPLK #000EH,Value; //D6=LBA=1:采用邏輯塊尋址模式.
OUT Value,DrvHeadReg; //設(shè)置驅(qū)動(dòng)器寄存器
5 .C 命令: 讀取IDE設(shè)備ID號(hào)和相關(guān)配置
IDE設(shè)備內(nèi)的相關(guān)配置對(duì)其它操作影響較大，主機(jī)應(yīng)該掌握這些參數(shù)。諸如柱面數(shù)、磁頭數(shù)、每個(gè)磁道的扇區(qū)數(shù)，以及最大扇區(qū)號(hào)等。
CALL WaitRDY; //讀狀態(tài)寄存器，等待D6 = 1，亦即IDE 設(shè)備完成上次命令
//準(zhǔn)備好再接收新的命令
SPLK #000EH, Value
OUT Value, DrvHeadReg; //選擇主從驅(qū)動(dòng)器
SPLK #00ECH,Value
OUT Value, CmdReg; //發(fā)命令，讀取配置參數(shù)
CALL WaitDRQ; //讀狀態(tài)寄存器，等待D6 = 1并且D3=1
//亦即RDY并發(fā)出DRQ請(qǐng)求，
//表明已將所讀配置參數(shù)放入數(shù)據(jù)寄存 器緩沖
MAR *, AR1; //AR1: 當(dāng)前輔助寄存器.
LAR AR1,#BufSADDR; //AR1 扇區(qū)緩沖區(qū)開(kāi)始地址
RPT #0FFh ; //循環(huán)次數(shù)= FFH + 1 = 256
IN *+, DatReg; //讀入配置數(shù)據(jù).
讀出配置參數(shù)后，再把它送給PC機(jī)的監(jiān)控程序，從中再細(xì)分出具體參數(shù)。讀一個(gè)扇區(qū)或?qū)懸粋€(gè)扇區(qū)的命令和這個(gè)命令相似。只是在發(fā)命令前應(yīng)該設(shè)置柱面扇區(qū)等寄存器，定位到具體的扇區(qū)。
6.PC宿主機(jī)監(jiān)控程序功能
PC宿主機(jī)監(jiān)控程序主要通過(guò)串口監(jiān)控仿真器。在底層通訊中，應(yīng)該為每一個(gè)監(jiān)控命令建立對(duì)應(yīng)函數(shù)。在應(yīng)用層，可以將幾個(gè)簡(jiǎn)單命令有機(jī)組合，完成復(fù)雜功能，減小仿真器駐留監(jiān)控難度。例如，在讀取配置參數(shù)命令中，分解緩沖數(shù)據(jù)。在讀寫(xiě)扇區(qū)命令中，將LBA邏輯扇區(qū)地址分解成驅(qū)動(dòng)器號(hào)、扇區(qū)號(hào)、柱面號(hào)等。
重要的是為用戶(hù)提供一個(gè)Windows環(huán)境下特別容易操作的接口界面，貼近硬件調(diào)試，產(chǎn)生所需信號(hào)波形，用捕獲分析。
結(jié)束語(yǔ)
隨著航空電子新系統(tǒng)研制的智能化和接口標(biāo)準(zhǔn)化，硬件調(diào)試對(duì)仿真設(shè)備和環(huán)境要求也越來(lái)越高。鑒于成本和上市時(shí)間的限制，采用嵌入式CPU自己研制一些簡(jiǎn)單實(shí)用的仿真設(shè)備是解決矛盾的一條重要的途徑。本文所介紹的IDE接口仿真器在多個(gè)型號(hào)的 研制中發(fā)揮了重要作用。