摘  要： 介紹了8086全硅計算機的體系架構， 設計了8086全硅計算機與SD卡連接的硬件接口，并使用軟件和硬件相結合的調(diào)試方法，可快速調(diào)試驗證SD卡的功能。通過FPGA的驗證，SD卡作為8086全硅計算機的硬盤，可以簡化設計過程、縮短設計周期。
關鍵詞： APB總線；SD卡；全硅計算機；固態(tài)硬盤

    全硅計算機CoC(Computer-on-a-Chip)將傳統(tǒng)PC機主板上的CPU、芯片組、內(nèi)存、顯卡、聲卡和網(wǎng)卡等芯片最大限度地集成到單個芯片中。8086 CoC集成了Intel
8086 CPU[1]全硅計算機，而由于8086 CoC高度集成性，傳統(tǒng)的機械硬盤已不適合。采用嵌入式的存儲設備，例如固態(tài)硬盤(Solid-State Disk)利用Flash芯片作為存儲介質(zhì)，符合ATA[2]/SATA/SCSI等接口傳輸協(xié)議。固態(tài)硬盤設計最大的障礙就是設計過程復雜，用閃存(Flash Memory)芯片作為核心存儲介質(zhì)的固態(tài)硬盤需要設計復雜的控制器[3]。為了簡化設計的復雜性又兼顧固態(tài)硬盤的優(yōu)點，本設計采用SD卡(Secure Digital Card)作為8086 CoC的硬盤。因為SD卡是基于閃存的存儲卡，具有固態(tài)硬盤的特性，安全性高、容量大、性能佳、環(huán)境適應性好等優(yōu)點。采用SD卡作為8086 CoC的硬盤可避免設計復雜的硬盤控制器。
1 硬件設計
    8086 CoC系統(tǒng)采用AMBA雙總線結構，高速設備如內(nèi)存(SDRAM)、顯卡(VGA)等通過AHB總線與CPU進行數(shù)據(jù)交換，而低速設備則經(jīng)由APB總線(Advanced Peripheral Bus)與CPU通信。SD卡作為8086 CoC的硬盤屬于低速I/O，因此SD卡是掛接在APB總線上。SD卡接口可以插入SD卡作為類似硬盤的大容量存儲設備使用，CPU通過APB總線對SD卡的數(shù)據(jù)進行操作。APB總線與SD卡連接的轉(zhuǎn)換接口是本文硬件設計的重點，8086 CoC體系架構圖如圖1所示。

1.1 APB接口簡介
    APB總線是AMBA總線的外圍總線，有關于APB總線協(xié)議可以參照AMBATM Specification(Rev2.0)。SD卡作為I/O掛接在APB的從主機口上，CPU要對I/O設備訪問，必須對I/O設備分配地址，本設計為SD卡分配的地址(只要與其他端口不沖突，地址可任選)是100H和101H(H為16進制)分別為SD卡的數(shù)據(jù)端口與片選端口。CPU對SD卡進行訪問時，CPU地址總線傳送APB總線的地址為100H或101H。此時，APB總線通過自身內(nèi)部的譯碼器使對應的從主機口有效，對應的從機設備被選中、SD卡I/O設備也被選中時，SD卡就可以與主機進行數(shù)據(jù)通信。
1.2 SD卡接口簡介
    SD卡的工作模式分別是SD模式和SPI模式[4]，本設計采用SPI模式。SD卡的SPI模式設備使用SD卡協(xié)議的子協(xié)議和部分指令。SPI模式的優(yōu)勢在于可以使用標準主機，從而把外設減少到最低。表1所示為采用SPI模式下的SD卡的端口定義。

    SPI模式是串行數(shù)據(jù)傳輸，而SD卡是掛接在APB的從口上的I/O設備，APB是并行數(shù)據(jù)，要使APB數(shù)據(jù)與SD卡的數(shù)據(jù)匹配，必須對APB數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為符合SPI模式下的數(shù)據(jù)格式。
1.3 SD卡轉(zhuǎn)換接口的設計
    主機通過APB總線發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)是1個字節(jié)(8位)的并行數(shù)據(jù)，而SD卡發(fā)送給主機設備的是串行數(shù)據(jù)，1個字節(jié)(8位)為1個數(shù)據(jù)單位。SD卡每次發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)是以SCLK為采樣時鐘，每次上升沿為1次采樣數(shù)據(jù)，因此1次完整的數(shù)據(jù)采樣需要8個SCLK時鐘周期。SD卡被訪問期間的片選信號CS一直要保持為有效低電平。SD卡轉(zhuǎn)換接口的設計關鍵是：(1)APB總線的并行數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)換成符合SPI協(xié)議規(guī)范的串行數(shù)據(jù)；(2)SD卡發(fā)送的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成APB總線能夠接收的并行數(shù)據(jù)；(3)產(chǎn)生正確采樣時鐘信號SCLK和片選信號CS。圖2所示為SD卡轉(zhuǎn)換接口模塊的框圖。

    片選信號由APB數(shù)據(jù)線的高位控制：當APB總線的高位輸出為低電平時，SS信號為低電平，SD卡被選中；當APB總線的高位輸出為高電平時，SS信號為高電平，SD卡不被選中。APB總線的高位數(shù)據(jù)產(chǎn)生是通過軟件編程實現(xiàn)。并串轉(zhuǎn)換器作用是：首先將APB總線輸出并行數(shù)據(jù)存儲到一組移位寄存器，然后移位寄存器的數(shù)據(jù)被移位成串行數(shù)據(jù)，串行轉(zhuǎn)換器就是并串轉(zhuǎn)換器反過程。采樣時鐘發(fā)生器作用是：采樣時鐘的上升沿應在每一位串行數(shù)據(jù)中央，以確保采樣時鐘能夠采樣到正確的數(shù)據(jù)。
    采用Verilog HDL硬件描述語言對SD卡轉(zhuǎn)換接口模塊進行設計，用modelsim6.1f 對該模塊在8086 CoC系統(tǒng)平臺進行仿真和調(diào)試。為了測試硬件接口，通過編寫基于8086CPU的匯編程序，使CPU執(zhí)行相應的匯編指令對SD卡進行操作，實驗證明SD卡轉(zhuǎn)接口的數(shù)據(jù)端口信號的仿真波形滿足SPI協(xié)議規(guī)范。
2 SD卡的軟件編程及功能調(diào)試
    SD卡的配置、讀寫和擦除是通過主機給SD卡發(fā)送相應的執(zhí)行命令，主機給SD卡發(fā)送命令通過軟件控制來實現(xiàn)。SD卡的所有命令都有固定的格式，由6個字節(jié)組成：起始位、傳輸位、命令索引、參數(shù)、CRC和結束位。表2所示為SD卡的命令格式。復位命令CMD0：起始位為0、傳輸位為1、命令索引為0、CRC為固定值1001010、結束位為1。即CMD0的格式為40H00H00H00H00H95H(H為16進制)。

2.1 SD卡的初始化
    本文設計了APB總線的SD卡硬件轉(zhuǎn)換接口，通過BIOS軟件編程實現(xiàn)訪問SD卡軟件。用軟件控制的方式給SD卡發(fā)送命令，使SD卡完成初始化。SD卡初始化有2個目的：使SD卡工作于SPI接口模式、設置單塊讀寫的數(shù)據(jù)長度。SD卡上電復位后處于SD總線模式，要使SD卡進入SPI接口模式，需要在片選信號CS為低電平時發(fā)送命令CMD0。由于SD卡在收到CMD0前處于SD總線模式，因此CMD0是唯一需要正確冗余校驗的命令。發(fā)送CMD0命令后，接收Rl回應，判斷SD卡是否正確接收命令。
    CMD0命令使SD卡進入休眠狀態(tài)，需要發(fā)送CMDl激活SD卡的初始化過程，隨后接收Rl回應，判斷SD卡是否正確脫離休眠狀態(tài)。
    為了實現(xiàn)對SD卡的讀寫操作，必須設定讀寫塊的大小。SD卡內(nèi)部結構是按照每塊512字節(jié)組成的，可以對1塊或者是多塊進行讀寫，為了和8086CoC的硬盤結構一致，設定為單塊讀寫。給出內(nèi)嵌在BIOS當中初始化的(基于Emu8086)匯編程序。
    ……
    // Initialize the SD card controller
       mov  al， 0ffh
       mov  dx， 0100h  ；選中SD卡接口
       mov  cx， 0ah    ；計數(shù)10次
    hd_post_init80:   ；循環(huán)10次給SD卡80個sclk， SD卡上電的過程至少要74個時鐘周期
       out  dx， al
       loop hd_post_init80
    // CMD0: reset the SD card
       mov  ax，40h ；命令CMD0，ax寄存器高位為0，所以CS=0，SD卡片選有效
       out  dx， ax
       xor  al， al   ；寄存器清0
       out  dx， al   ；發(fā)送CMD0其他位
       out  dx， al
       out  dx， al
       out  dx， al
       mov  al， 95h  ；
       out  dx， al     ； CRC fixed value
       mov  al， 0ffh                       
       out  dx， al     ； wait
       in   al， dx     ； status
       mov  cl， al
       mov  ax， 0ffffh
       out  dx， ax     ； CS=1
       cmp  cl， 01h  ；判斷響應是否為01h
       je   hd_post_cmd1  ；響應正確則發(fā)送CMD1，激活SD卡。
    ……
    當SD卡初始化完成以后，就可以對SD卡進行讀寫操作。讀SD卡的命令是CMD17；寫SD卡的命令是CMD24。這2個命令都帶有參數(shù)，參數(shù)是第8~39，共32位，參數(shù)表示的必須是SD卡扇區(qū)的首地址，讀寫SD卡以1個扇區(qū)512字節(jié)為數(shù)據(jù)單位(與硬盤相同)。
2.2 SD卡的調(diào)試
    采用SD卡作為8086 CoC的硬盤，而沒有采用固態(tài)硬盤，就是為簡化設計，避開設計復雜固態(tài)硬盤控制器。但用SD卡作為8086 CoC系統(tǒng)的硬盤，調(diào)試是實驗難點。因為SD卡是復雜存儲器，有自己的命令集，要找到SD卡的仿真模型幾乎不可能，而通過Verilog HDL硬件描述語言對SD卡的功能建立模型進行SD卡功能仿真，其復雜性將會更大。為了簡化設計，不采用通過SD卡模型在Modelsim中進行仿真，而是把設計直接綜合到FPGA板上進行板級仿真。根據(jù)實驗已有的條件，AlteraDE2開發(fā)板核心器件是Cyclone II系列的EP2C35F672C6[5]FPGA。用Quartus II將綜合8086 CoC生成的SOF文件通過JTAG電纜下載到DE2開發(fā)板上，把SD卡插入DE2開發(fā)板的SD卡插槽，進行SD卡的調(diào)試。
    為了測試SD卡能否接收到主機的數(shù)據(jù)，有效辦法是檢測SD卡對每條命令是否響應，達到命令響應將SD卡接口信號輸出到邏輯分析儀進行觀察的目的。但邏輯分析儀在使用觀察響應波形需要一些觸發(fā)條件(其觀察數(shù)據(jù)深度是有限的)，而SD卡接收和發(fā)送的數(shù)據(jù)是串行數(shù)據(jù)，因此要看到所有信號完整的波形是不可能的。為了解決這個問題，可采用軟硬件相結合的調(diào)試方法，即SD卡每條命令的響應可在軟件編程設計程序斷點辦法，如初始化程序中在CMD0命令的后面加上如下斷點程序。
       mov ax，0h                     
       mov ds，ax       ；目標基地址為0  
       mov bx，0500h    ；偏移地址             
       mov al，00h       ； al寄存器寫入0，可根據(jù)需要給al不同的值        
       mov ds:[bx]，al    ； 把al的值寫入地址為500h內(nèi)存單元
    這樣就可以通過主機的地址(等于500h)作為邏輯分析儀的觸發(fā)條件。在每條命令中設置這樣的斷點，通過這些設置的斷點作為邏輯分析儀的觸發(fā)條件可以觀測每條命令發(fā)送情況。
    即使沒有邏輯分析儀，也可以通過斷點程序法在某一確定內(nèi)存寫入一些特殊的值，然后同樣用Altera DE2開發(fā)板提供(DE2_contorl_panel)軟件把內(nèi)存值讀出來與寫入的值進行比較。如果內(nèi)存寫入的值與斷點程序?qū)懭氲闹迪嗤瑒t證明命令得到了正確響應。
    驗證完成SD卡初始化以后，就可以對SD卡進行讀寫。在寫SD卡調(diào)試中：設定寫命令的地址參數(shù)，在參數(shù)對應的地址單元向SD卡寫入一些特殊的值，然后通過WINHEX軟件去查看SD卡在該地址的數(shù)據(jù)是否與寫入的數(shù)據(jù)相同。在讀SD卡調(diào)試中：設定讀命令的地址參數(shù)，把SD卡的某一確定地址存儲單元的數(shù)據(jù)讀取到確定內(nèi)存單元中，通過Altera DE2開發(fā)板提供軟件把該內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀出來與SD卡的原來存儲的數(shù)據(jù)進行比較。
    此調(diào)試法并不是一定要執(zhí)行，當只有SD卡不能正常讀寫時，可以用此方法進行調(diào)試，分析每條命令的執(zhí)行情況。實驗證明該方法非常有效，通過本設計提出的SD卡作為8086 CoC的硬盤設計取得了成功。圖3所示為SD卡轉(zhuǎn)換接口信號初始化過程中發(fā)送CMD0命令波形圖。

3 FPGA的驗證結果
    采用Quartus II對所設計的SD卡轉(zhuǎn)換接口在Cyclone II系列的EP2C35F672C6 FPGA進行綜合，綜合報告顯示總邏輯單元46個，總寄存器數(shù)30個，時鐘頻率高達420 MHz，綜合報告表明設計占用的邏輯資源非常少。FPGA驗證顯示把8086 CoC的BIOS軟件存入SD卡硬盤，通過SD卡作為引導區(qū)可啟動8086 CoC的DOS操作系統(tǒng)。
    本文以SD卡作為8086CoC的硬盤設計為例，介紹了SD卡作為大容量存儲器的設計方法。采用SD卡作為大容量存儲器可以減少設計的復雜性、縮短設計周期。并且由于SD卡的許多優(yōu)點可使得系統(tǒng)工作穩(wěn)定、提高數(shù)據(jù)存儲的安全性。雖然SD卡本身的數(shù)據(jù)傳輸速率有上限，數(shù)據(jù)的讀寫速度受到一定的限制，但這些可以通過更高讀寫速度的SD卡來解決。同時，本設計具有高可移植性，可以方便地移植到其他需要大容量存儲器的嵌入式系統(tǒng)中，只需在軟件操作系統(tǒng)嵌入關于訪問SD卡的軟件程序，無需修改已設計好的硬件電路，減少了電路設計的成本。
參考文獻    
[1] 8086 16-bit HMOS microprocessor[M]. USA: Intel Corporation， 1990.
[2] STEVENS C E. At attachment 8-ATA/ATAPI command set[S]. 2008.
[3] KANG J D， KIM J S， PARK C， et al. A multi-channel architecture for high-performance NAND flash-based storage system[J]. Journal of Systems Architecture. 2007，53(9):644-658.
[4] SD memory card specifications part1[S]. Physical Layer Specification Version 1.0. March 2000.
[5] Altera Corporation. Cyclone device handbook Vol. II[S]. 2003.