嵌入式系統(tǒng)的SD控制器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

引言

　　在目前的掌上電腦等嵌入式系統(tǒng)中，SD(securedigital)卡以其體積小和引腳數(shù)少的優(yōu)勢(shì)，提供了比CF更好的外部設(shè)備擴(kuò)展解決方案。因此，如何在系統(tǒng)中集成SDHost控制模塊，以及在嵌入式操作系統(tǒng)里面實(shí)現(xiàn)其驅(qū)動(dòng)程序，都是目前嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者要考慮的問(wèn)題。
 

        本文實(shí)現(xiàn)所采用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是基于SAMSUNG公司的S3C2410AARM微處理器，利用處理內(nèi)部的SD控制模塊，采用GPIO擴(kuò)展的方法實(shí)現(xiàn)SDHost控制器。

        使用S3C2410A的SD控制模塊，通過(guò)對(duì)GPIO功能的擴(kuò)展來(lái)完成SD的檢測(cè)和寫保護(hù)的功能，實(shí)現(xiàn)SDHost控制器相對(duì)比較靈活。在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)SD卡檢測(cè)進(jìn)行防抖動(dòng)處理是必要的，必須根據(jù)系統(tǒng)電路特性來(lái)確定合適的檢測(cè)時(shí)機(jī)，在驅(qū)動(dòng)程序里面實(shí)現(xiàn)防抖動(dòng)處理，保證整個(gè)系統(tǒng)的效率。

　　1 SDHost硬件設(shè)計(jì)

　　SCDA1A0100是ALPS公司生產(chǎn)的SD卡連接插槽，采用高可用的滑動(dòng)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到卡插入的時(shí)機(jī)。

　　通過(guò)小型化和薄型化設(shè)計(jì)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于PDA，數(shù)碼相機(jī)和個(gè)人電腦。當(dāng)插槽有SD卡插入時(shí)，SD卡會(huì)觸動(dòng)槽內(nèi)的觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，引起卡的檢測(cè)引腳和寫保護(hù)引腳的相應(yīng)電平變化。

　　Samsung的S3C2410A內(nèi)部支持SDHost的控制模塊，有SDHost控制寄存器和可以用于SDHost控制器的IO引腳，可用編程的方法對(duì)其功能進(jìn)行選擇;但對(duì)于SD卡的檢測(cè)，寫保護(hù)和插槽的電源使能等功能沒(méi)有專門的引腳。在本文實(shí)現(xiàn)中，對(duì)于卡檢測(cè)、電源引腳，通過(guò)GPIO擴(kuò)展來(lái)實(shí)現(xiàn)。部分引腳定義如表1所示。

　　表1 S3C2410A部分GPIO引腳功能定義

　　S3C2410A的GPIO引腳分為GPA，GPB等8組，每組的IO引腳有控制寄存器(GPxCON)，數(shù)據(jù)寄存器(GPxDAT)，Pull-Up寄存器(GPxUP)進(jìn)行控制。每根引腳所在的GPxCON里有對(duì)應(yīng)位控制其功能，通過(guò)對(duì)GPxCON編程來(lái)控制其功能，某一時(shí)刻，該引腳只能使用一種功能。

　　對(duì)于SD卡檢測(cè)引腳，需要配置成外部中斷源(EINTx)，對(duì)應(yīng)的EXTINT0，EXTINT1和EXTINT2寄存器控制該中斷源的觸發(fā)模式：低電平觸發(fā)，高電平觸發(fā)，前沿觸發(fā)，后沿觸發(fā)或是前后沿觸發(fā)。

　　S3C2410A時(shí)鐘控制邏輯有兩個(gè)鎖相環(huán)路PLL(phaselockedloop)：UPLL專用于USB時(shí)鐘;MPLL能夠產(chǎn)生系統(tǒng)要求的3種時(shí)鐘信號(hào)：FCLK供CPU內(nèi)核使用，HCLK供系統(tǒng)總線使用，PCLK供外部總線使用。通過(guò)對(duì)MPLL控制寄存器MPLLCON配置，可以產(chǎn)生需要的時(shí)鐘頻率。

　　在時(shí)鐘控制邏輯里，寄存器CLKCON用來(lái)控制如USB，LCD，UART，SD等接口模塊的時(shí)鐘使能。其中bit[9]用于控制SD/MMC接口的時(shí)鐘。SDHost控制器不能直接使用PCLK信號(hào)。正常工作模式下，F(xiàn)CLK為266MHz，PCLK為66.5MHz，而SD卡的最高時(shí)鐘為25MHz，MMC卡最高為20MHz。通過(guò)對(duì)SDIPRE寄存器的bit[0-7]設(shè)置可以對(duì)PCLK進(jìn)行分頻，選擇合適SD/MMC卡的工作頻率。分頻公式為：

　　Clockrate=PCLK/2/(SDIPRE[0-7]+1)

　　2 驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)

　　2.1 驅(qū)動(dòng)程序體系結(jié)構(gòu)

　　我們?yōu)殚_(kāi)發(fā)平臺(tái)上運(yùn)行的WindowsCE系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了SDHost控制器的驅(qū)動(dòng)程序。WindowsCE下，驅(qū)動(dòng)程序是用戶態(tài)的DLL，這些DLL向內(nèi)核提供一些接口函數(shù)，這樣設(shè)備管理模塊就可以通過(guò)這些函數(shù)與具體的硬件設(shè)備進(jìn)行通信。

　　WindowsCE的驅(qū)動(dòng)程序模型主要有兩種類型：流式接口驅(qū)動(dòng)和本地設(shè)備驅(qū)動(dòng)。流式設(shè)備驅(qū)動(dòng)向上層提供統(tǒng)一的流式設(shè)備接口，而本地設(shè)備驅(qū)動(dòng)可根據(jù)具體設(shè)備要求提供相應(yīng)接口。[!--empirenews.page--]本文實(shí)現(xiàn)中SDHost的驅(qū)動(dòng)程序采用流式接口驅(qū)動(dòng)模型。

　　驅(qū)動(dòng)程序要實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的XXX_Open()，XXX_Close()，XXX_Init()，XXX_Deinit()，XXX_IOControl()，XXX_Read()，XXX_Write()，XXX_Seek()，XXX_PowerUp()，XXX_PowerDown()等接口函數(shù)，其中XXX為設(shè)備驅(qū)動(dòng)的前綴，應(yīng)用程序可以通過(guò)文件操作來(lái)控制設(shè)備。

　　為了減少了SDHost驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，使其具有較好的可移植性，采用SDHostDDK，它在BSQUARESD協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，提供了平臺(tái)獨(dú)立的總線和客戶端驅(qū)動(dòng)和一組標(biāo)準(zhǔn)化的API供使用。BSQUARESD卡的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 SD卡協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)

　　該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)很大程度上減少了SDHost驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，使SDHost控制器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)可以專著于硬件相關(guān)的部分。總線驅(qū)動(dòng)是SD卡客戶端驅(qū)動(dòng)程序和SDHost驅(qū)動(dòng)程序之間的一個(gè)抽象層，它為SD卡客戶端驅(qū)動(dòng)提供平臺(tái)獨(dú)立的服務(wù)接口。SDHost驅(qū)動(dòng)程序需要完成處理器和硬件平臺(tái)相關(guān)的處理，向上層驅(qū)動(dòng)提供統(tǒng)一的服務(wù)接口。

　　2.2 中斷控制

　　中斷控制是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序里的關(guān)鍵部分，它關(guān)系到操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)相應(yīng)速度和系統(tǒng)的整體性能。WindowsCE是通用的嵌入式系統(tǒng)，它在中斷處理方面也有一定實(shí)時(shí)能力。

　　WindowsCE處理中斷的過(guò)程分為兩部分實(shí)現(xiàn)：核心的ISR和用戶線程IST。ISR實(shí)現(xiàn)一般要求短小精悍、效率很高，它只實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的功能：響應(yīng)設(shè)備中斷并返回一個(gè)中斷標(biāo)識(shí)碼。IST是用戶態(tài)線程，負(fù)責(zé)處理具體的中斷事務(wù)。

　　當(dāng)有硬件設(shè)備產(chǎn)生中斷時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入核心ISR執(zhí)行，響應(yīng)設(shè)備中斷并返回一個(gè)中斷標(biāo)識(shí)碼，核心根據(jù)返回的中斷標(biāo)識(shí)碼設(shè)置相應(yīng)的事件，該事件將引起IST的執(zhí)行，處理具體的中斷事務(wù)。處理過(guò)程如圖2所示。

　　圖2 WindowsCE中斷處理過(guò)程

　　本實(shí)現(xiàn)中用到了下列中斷：SD卡檢測(cè)中斷，SDIO中斷和DMA0中斷(DMA0專用于SDHost的DMA數(shù)據(jù)傳輸)。SD卡檢測(cè)中斷IST負(fù)責(zé)檢測(cè)SD卡的插入和拔出，通知上層應(yīng)用SD插槽的狀態(tài);SDIO中斷IST只是簡(jiǎn)單的通知總線驅(qū)動(dòng)有SDIO中斷產(chǎn)生，具體處理交給SDIO卡的驅(qū)動(dòng)程序;DMA0中斷IST負(fù)責(zé)處理SD的DMA數(shù)據(jù)傳送。

　　在WindowsCE中，由于驅(qū)動(dòng)程序DLL運(yùn)行在用戶態(tài)，因此驅(qū)動(dòng)程序要訪問(wèn)硬件寄存器，必須在驅(qū)動(dòng)程序的進(jìn)程空間分配一段虛擬空間，然后將這段虛擬空間映射到硬件寄存器所映射到內(nèi)核的虛擬地址才能夠完成相應(yīng)的訪問(wèn)。SDHost驅(qū)動(dòng)程序在初始化的時(shí)候，必須進(jìn)行資源分配和地址映射，配置好各個(gè)GPIO引腳的功能;然后需要?jiǎng)?chuàng)建事件和相應(yīng)的中斷標(biāo)識(shí)碼的關(guān)聯(lián)，創(chuàng)建中斷服務(wù)線程IST，準(zhǔn)備進(jìn)行中斷響應(yīng)服務(wù)。[!--empirenews.page--]3 卡檢測(cè)與防抖動(dòng)

　　系統(tǒng)初始化時(shí)，SD_nCD檢測(cè)引腳被設(shè)置為上升沿和下降沿觸發(fā)，因此引腳電平發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)有中斷產(chǎn)生。當(dāng)硬件產(chǎn)生中斷時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入核心ISR，對(duì)SD_nCD進(jìn)行檢測(cè)，返回相應(yīng)的中斷標(biāo)識(shí)碼，對(duì)于是SD插入還是拔出，則由驅(qū)動(dòng)程序的IST來(lái)處理。

　　由于SD卡插槽采用的是機(jī)械式開(kāi)關(guān)，在插拔卡的時(shí)候，機(jī)械開(kāi)關(guān)斷開(kāi)、閉合時(shí)會(huì)有抖動(dòng)，導(dǎo)致SD卡檢測(cè)引腳的電平不穩(wěn)定，從而有可能引起對(duì)卡的狀態(tài)的誤判。這樣會(huì)導(dǎo)致加載上層驅(qū)動(dòng)，初始化失敗造成系統(tǒng)宕機(jī)。為了使每次插拔只響應(yīng)一次，必須要采用相應(yīng)的方法來(lái)防止抖動(dòng)，避開(kāi)按鍵按下的抖動(dòng)時(shí)間。

　　在驅(qū)動(dòng)程序IST里采用延時(shí)采樣的方法來(lái)避免抖動(dòng)，同時(shí)也嘗試了多次采樣的檢測(cè)方法來(lái)避開(kāi)用戶按鍵的抖動(dòng)時(shí)間。

　　延時(shí)采樣是IST在收到SD卡檢測(cè)事件以后，并不是立刻進(jìn)行引腳信號(hào)判斷，而是延時(shí)一段時(shí)間采樣，延遲時(shí)間要根據(jù)系統(tǒng)電路特性而定，然后檢測(cè)引腳信號(hào)，判斷插槽的狀態(tài)是卡插入還是拔出。多次采樣方法是IST在收到SD卡檢測(cè)事件以后，要對(duì)引腳進(jìn)行多次等間隔采樣，根據(jù)采樣出的多數(shù)電平信號(hào)的值來(lái)決定插槽卡的狀態(tài)。多次采樣的方法可以有更短的響應(yīng)時(shí)間，當(dāng)采樣出的電平信號(hào)多數(shù)值不能決定卡的狀態(tài)時(shí)，需要進(jìn)行重新采樣判斷。

　　對(duì)于延時(shí)采樣的防抖動(dòng)方法，必須考慮到實(shí)現(xiàn)的效率。

　　ISR運(yùn)行于系統(tǒng)核心態(tài)，它的延時(shí)會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)，導(dǎo)致用戶的輸入響應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成整體性能的下降。而WindowsCE的驅(qū)動(dòng)程序是用戶態(tài)的DLL，作為用戶進(jìn)程來(lái)調(diào)度，因此在SDHost的驅(qū)動(dòng)程序里實(shí)現(xiàn)防抖動(dòng)，可保證系統(tǒng)整體性能不下降。

　　對(duì)于上述兩種防抖動(dòng)方法，我們進(jìn)行了連續(xù)插拔的測(cè)試，結(jié)果如圖3所示。測(cè)試結(jié)果表明，這兩種方法都取得了較好的效果，基本上解決了SD卡檢測(cè)的抖動(dòng)問(wèn)題。

　　圖3 SD卡插拔宕機(jī)次數(shù)測(cè)試

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　本文介紹的SDHost控制器已經(jīng)應(yīng)用在工程實(shí)踐中，結(jié)果表明設(shè)計(jì)是靈活有效的，防抖動(dòng)設(shè)計(jì)對(duì)于類似的設(shè)計(jì)也具有一定的借鑒意義。