摘 要： 介紹了IBM的Microdrive的基本結構和工作原理，詳細說明了Microdrive接口設計的軟硬件關鍵技術。同時以AT89C52型單片機為基礎，設計完成了Microdrive的接口電路，實現了對Microdriver的數據訪問及管理功能。
關鍵詞： Microdrive  AT89C52

　　隨著科學技術的不斷發展，存儲技術正向著大容量、低功耗、小型化的方向發展。尤其是近年來，各種大容量的小型存儲器不斷涌現，在便攜式設備中得到了廣泛的應用。目前常見的存儲卡類型有：Smart Media Card、MemoryStick、MultiMedia Card、CompactFlash Type I Card、IBM 的Microdrive等，各存儲卡在容量、功耗、體積上各有特色，但IBM的Microdrive尤為出色。
　　Microdrive 是由IBM日本分公司研發生產的產品。它的接口符合CFA（CompactFlash Association）協會所制定的CF＋TypeⅡ規范，具有容量大(170MB～3GB)、體積小(42.8 mm×36.4mm×5.0mm）、耗電量小等特點，已在數碼相機、筆記本電腦、掌上電腦、便攜式音樂播放器等設備的存儲領域中得到了較廣泛的應用。可以預見，在各種智能設備小型化的趨勢中，在大容量便攜式數據存儲和傳輸的過程中，Microdrive 有著非常廣泛的應用前景，將會為各種便攜式產品帶來高容量、高品質且價格合理的數據存儲能力。
　　雖然目前市面上已有多家國內外公司（其中有IBM公司）生產出操作Microdrive的接口，但其價格居高不下，這對于需要將此類便攜式大容量存儲器直接嵌入到其便攜設備的廠商來說，將會大大提高產品的成本。為降低生產廠商的成本，實現對Microdrive的數據訪問和管理功能。本文給出了一種基于單片機的Microdrive接口設計。
1  Microdrive簡介
　  Microdrive性能參數如下：
      容量：1 000MB/512MB/340MB；緩沖區大小：128B；扇區大小：512B；盤片數量：1；平均尋道時間：12ms；平均等待時間：8.33ms；最大內部數據傳輸速率：59.9MBps；最大外部數據傳輸速率：13.3MBps；接口：CF+(兼容ATA和PCMCIA)；數據密度：15.2GB/英寸；大小：5mm×43mm×35mm；重量：17g；磁盤旋轉速度：3 600rpm。
　　Microdrive的主要特點：
　　體積小，總量輕，容量大；可靠性高，有效的數據保護及數據編碼技術，使得其出錯率極低；讀寫速度快，連續讀寫速率最高可達到4.2MBps，抗沖擊(1 500g)，耐振動（5g）；兼容性好，支持3.3V或5V工作電壓，具有廣闊的使用范圍。
2  Microdrive硬件接口設計
2.1 Microdrive接口簡介及訪問模式的選擇
　　Microdrive接口符合CF＋TypeⅡ標準，支持3.3V或5V直流工作電壓，提供了完整的PCMCIA-ATA功能且通過ATA/ATAPI-4兼容TrueIDE。但與68針接口的PCMCIA卡不同的是，Microdrive接口只有50針，采用50腳雙列0.05英寸間距標準接口。其管腳排列如表1所示。

　　Microdrive的數據都是以512B的扇區單元進行操作，能夠通過IDE和Memory等模式對其進行訪問。
雖然IDE模式被廣泛地應用在計算機硬盤接口，但也經常被應用于內嵌式的系統中，得到絕大多數的BIOS和工業單板機的支持。然而，IDE模式需要涉及到復雜的文件管理，使得控制操作相對復雜，不符合簡單可行的設計要求。
　　由于本系統由單片機實現嵌入式設計，且Memory模式是Microdrive的默認模式，該模式可以避免繁瑣的寄存器設置，同時支持8位的數據帶寬，控制操作也相對簡單，可以極大地簡化設計和節省系統的資源，故本系統采用Memory模式。
2.2 硬件接口
　　系統的電路連接框圖如圖1所示，主要包含以下5個部分。

　　(1)AT89C52。AT89C52擁有比8051多1倍的數據存儲器（256 B的RAM），有8KB的內部ROM，操作命令以及各引腳都與8051基本一致。在本系統中，AT89C52的作用是至關重要的，它擔負著與外部的通信及實現對Microdrive的各種操作。
　　(2)外部數據存儲器。該存儲器主要用作硬盤數據讀寫的緩存，因而必須具有非易失性、簡便的操作及合適的容量。62HC64容量為8K×8位，具有非易失性及功耗低等特點。
　　(3)通信電平轉換芯片。RS－232C是目前異步串行通信中應用最廣泛的標準總線，適用于數據中斷設備（DTE）和數據通信設備（DCE）之間的接口，而單片機使用TTL電平，二者互不兼容，因而使用了MAX－232電平轉換芯片對它們之間的通信電平進行轉換，作為對外的通信接口。
　　(4)CF+適配口。使用了標準的50針CF+適配口。
　　(5)地址鎖存器74LS373和地址譯碼器74LS138。
　　系統的主要連線（見圖1和表1）敘述如下。
　　其中：Address/Data（0～7）為復用的8位數據或低8位地址總線。Address（8～12）為用于尋址62HC64的高5位地址線，Address(13～15)接至74LS138，用作外部數據存儲器62HC64及Microdrive的片選信號； RESET信號則和AT89C52的RESET腳連接，以達到同步復位的目的。上電復位后，Microdrive自動進入默認的Memory模式；-REG (Register)信號用于選擇訪問，判斷是Microdrive的Attiribute Memory（低電平）還是Common Memory(高電平)；對于-CE1和-CE2(Card Enable)，因為只有1塊Microdrive，故將-CE2接高電平，-CE1接74LS138的Y7腳；-OE、-WE為讀寫有效信號，與AT89C52的P3.7（－RD）和P3.6（－WR）相連；RDY/-BSY(Ready/Busy）是Microdrive的閑忙狀態信號，當Microdrive忙時，該腳為低電平，不能對Microdrive做任何的操作，若與AT89C52的P3.2相連，可通過軟件檢測此位，判定Microdrive的閑忙狀態；WAIT信號的有效意味著一個操作進程正在完成過程中，把它與P1.7相連，以便檢測；CD1、CD2（Card Detect）用于Microdrive的存在檢測，與AT89C52的P3.2、P3.3相連；AT89C52的P3.0(RXD)用作串行通信輸入，若接MAX232的12腳(R1OUT)，則用于接收通過MAX232送來的數據；AT89C52的P3.1（TXD）用作串行通信輸出，接MAX232的11腳(T1IN)，通過MAX232送出數據。
3  軟件設計
3.1 主要寄存器簡介
　　Microdrive內的幾個涉及到操作的寄存器如表2所示。

　　以下介紹如表3所示的狀態寄存器其中幾個狀態標志位，這些標志位在讀寫等操作中極為重要。

　　bit 7(BUSY)：當Microdrive處于忙狀態時(如正在讀寫寄存器或存儲扇區)，則置該位為1。
　　bit 6(RDY)：當Microdrive準備好，可以執行各種操作時，置該位為1。
　　bit 3(DRQ)：當Microdrive需要將數據讀出或寫入數據存儲器時，置該位為1。
　　bit 0(ERR)：當在執行各種操作過程中出現錯誤時，置該位為1。
3.2 軟件設計
　　硬件設計好后，就可以通過軟件來驅動接口電路，去讀寫Microdrive。首先進行測試以確定所有的端口及信號極性的正確性。由于Memory模式是缺省的模式，故使用前的檢測很簡單，主要把軟件分成以下部分進行檢測。
　　(1)檢測Microdrive。首先，確定Microdrive是否已正確插入插槽。這需要檢測Card Detect引腳，即將P3.2、P3.3的狀態讀入，如果2個都為0，就表示Microdrive已正確插入適配口；否則表明未正確插入，需要重新插入。其次，在確定Microdrive已正確插入后，開始檢測其狀態。從Common Memory的偏移地址為007H的狀態寄存器中讀取Microdrive的狀態信號，如果Microdrive被正確地復位，則讀得的數據應該是50H，這意味著Microdrive已能使用并準備接收命令；否則有錯誤，應重新復位。最后，當Microdrive的狀態證實無誤并處于Memory模式時，就可以發送診斷命令字（Execute Diagnostics：90H）到命令寄存器（偏移地址為007H）中，這一命令將會根據Microdrive的當前情況重置狀態寄存器007H(與命令寄存器的地址相同)。當出錯時，出錯位將會被置1，此時會檢查錯誤狀態寄存器（偏移地址為001H）而且將會得到詳盡的出錯信息；若無錯誤，則對Microdrive進行操作。
　　(2)數據的讀取。首先將要操作的扇區地址寫入偏移地址為003H～006H的邏輯塊尋址寄存器；然后再將要操作的扇區數目寫入偏移地址為002H的扇區數目寄存器；接著發送讀命令字（20H）到命令寄存器。當寫入命令后，Microdrive會將BUSY狀態置1作為響應。然后Microdrive從存儲扇區中讀出數據放入數據寄存器，并將DRQ狀態位置1，清BUSY以表示數據已準備好。這樣只需要檢查DRQ狀態就可以了。當DRQ為1時，便可從Microdrive的數據寄存器中讀出數據，所有數據讀完后，DRQ將會被清0，Microdrive重新回到準備狀態執行下一次操作。
　　(3)數據的寫入。與讀數據的操作類似，首先將數據準備在數據緩存區（外部RAM62HC64）；然后將要操作的扇區地址寫入偏移地址為003H～006H的邏輯塊尋址寄存器，并將要操作的扇區數目寫入偏移地址為002H的扇區數目寄存器；接著發送寫命令字（30H）到命令寄存器；最后，檢測DRQ的狀態（此時Microdrive置BUSY狀態為1，接著置DRQ為1，清BUSY）。當檢測到DRQ為1時，便可將數據緩存區（外部RAM62HC64)中的數據寫入Microdrive的數據寄存器(偏移地址為000H)。當Microdrive檢測到數據寫入其數據寄存器后，就會置BUSY為1，清DRQ并根據地址將數據寄存器中的數據寫入存儲扇區。一旦數據全部寫完，再清BUSY狀態位，重新回到準備狀態準備執行下一次操作。
　　可見，在讀寫操作中，對進程起控制作用的關鍵就是DRQ這一狀態位，其檢測程序如下：
　　void wait_drq(void)
　　{  unsigned int a；
  　　　a=XBYTE[0xE007]；　　　　//讀取狀態寄存器的值
　　　  if((a&0x01)= =1)  error( )；　//若出錯位為1，轉出錯處理
　　　  while((a&0xf8)!=0x58)
   　　   a=XBYTE[0xE007]；　　　　//查詢DRQ位，不為1則循環等待
　　}
　　(4)數據的擦除。首先將要操作的扇區地址寫入偏移地址為003H～006H的邏輯塊尋址寄存器；然后再將要操作的扇區數目寫入偏移地址為002H的扇區數目寄存器；接著發送擦除命令字（0C0H）到命令寄存器。執行完擦除命令后，讀出的值全為0。
3.3 單片機軟件設計流程
　　單片機軟件設計的主要流程如圖2所示。

　　本文所介紹的基于單片機的Microdrive接口設計，成功實現了操作Microdrive的常用命令，正確實現了對Microdrive的8位格式的操作。經測試，此接口也可以對CF Type I卡(如SanDisk公司的CompactFlash卡)進行正確的操作，從而提高了應用系統的兼容性。該接口電路具有較廣泛的應用價值，可應用于各種需要使用Microdrive或CompactFlash卡作為存儲器的便攜式電子設備中，目前正準備將其應用于便攜式的動態腦電及動態心電儀器中。
參考文獻
1   CompactFlash Association.CF＋ and CompactFlash Specification Revision 1.4.1999
2   International Business Machines Corporation.Using the IBM Microdrive For the First Time.2001
3   International Business Machines Corporation.Need More Storage Embed an IBM 170MB or 340MB Microdrive.2001