Nios系统基础上的Ultra DMA数据传输模式

2 系统的硬件实现  

硬件部分由Nios嵌入式系统、Nios与硬盘的接口模块和其他外围接口电路三部分组成，如图1所示。其中设计的核心部分是Nios系统与硬盘接口模块的IP核设计，主要完成数据传输模式的转换，以及对硬盘的控制与操作两部分任务。Nios嵌入式处理器系统的任务是进行整体控制与协调，并对数据进行处理和暂存；外围接口电路主要用来扩充系统的功能，扩大系统的适用范围。  



Nios嵌入式处理器系统由Nios嵌入式处理器、DMA控制器、数据存储区SDRAM、程序存储区F1ash和Avalon总线构成。其中DMA控制器用于实现两个存储器之间，或者存储器和外设之间，或者是两个外设之间的直接数据传输。DMA模块用于连接支持流模式传输的外设，并允许定长或变长的数据传输，而不需要CPU的干涉。在Ultra DMA数据传输的过程中，可以一次性传输最多256个扇区的数据，所以在系统中使用DMA控制器可以方便地在硬盘与系统中各种支持流传输模式的设备之间建立直通连接，提高系统的数据传输效率。  

外围接口电路主要用于系统功能的扩充，如Internet接口可以使系统方便地接人到网络中提供诸如音乐或视频下载、信息共享等服务；串口用于与计算机或其他设备的互连；VGA接口用于视频信号的输出，在系统外部显示图像等等。  

硬盘接口部分主要由接口控制逻辑、Avalon总线接口、FIFO和硬盘IDE接口4部分组成。其中接口控制逻辑部分用于对Nios处理器的指令进行译码并执行相应的操作，控制Ultra DMA传输时的握手和控制信号的产生，协调数据传输过程中IDE接口的硬盘数据速率同Avalon总线接口速率的匹配。  

FIFO用于数据的缓冲，解决Avalon总线和IDE接口之间的数据速率不匹配问题。在设计中需要对硬盘UltraDMA的六种数据传输模式同时提供支持，而其传输速率却完全不同，必须添加缓冲区用于数据的暂存。  

Avalon总线接口用于与Nios处理器系统相连，传输Nios处理器的指令给控制逻辑部分，以及与系统中的其他部分在DMA控制器的协调下完成数据的传输。  

硬盘IDE接口部分除输出控制信号并对硬盘返回的信号做出响应外，还要完成单边沿数据锁存模式与双边沿数据锁存模式相互转换的任务，如图2、图3所示。  





由于Nios系统内部数据传输时，都使用时钟上升沿来锁存数据；而IDE总线上传输的Ultra DMA数据，在Clock信号的上升沿和下降沿都有数据需要锁存。因而硬盘接口部分两侧的数据，在传输时工作模式各不相同，需要进行必要的缓冲和模式转换。  

数据锁存模式转换模块，用于在IDE总线上双边沿锁存数据和系统内部单边沿锁存数据之间进行锁存模式的转换，这是系统设计的核心问题之一。具体来说，就是在读取硬盘数据时需要将IDE总线上传输的双边沿锁存数据转换为系统内部使用的单边沿锁存数据；在写硬盘操作时完成相反的任务。在设计时采用两组寄存器对不同时钟沿的信号进行锁存，在时钟频率不变的基础上，通过数据带宽的扩展，完成双边沿到单边沿的转换功能；在单边沿数据到双边沿数据的转换过程中，采用相反的构架。  

3 系统工作流程  

系统在完成基于Ultra DMA的数据传输模式的硬盘访问功能时，需要实现对硬盘数据通过Ultra I)MA模式进行的读操作和写操作。其具体的工作流程各不相同，主要区别在于：  

①Nios系统内部的协调过程。作为系统处理核心的Nios处理器，必须向硬盘接口逻辑和DMA控制器中发送指令，使其按照设计要求执行相应的操作。向硬盘接口逻辑部分发送读写硬盘的指令时，需要首先命令读操作时使用FIFO对硬盘数据进行缓冲，在写操作时将FIFO中的缓冲数据发送到硬盘中完成写入操作；向DMA控制器部分发送指令，协调接口缓冲区FIFo和系统内存SDRAM中数据的交互过程，以完成对硬盘的读写操作。  

②对硬盘的读写访问操作。在对硬盘进行读写操作时，必须向硬盘的接口寄存器中发送DMA读指令或写指令，其指令码和操作顺序也不尽相同，如图4、图5所示。  



4 系统的软件实现  

在Nios SDK Shell环境下，使用带Monitor的bootloader程序，可以在程序Debug的同时监控内部存储器的变化，便于硬件设计的检查和程序的调试。软件的编写主要采用C语言，部分嵌入了汇编语言。整个系统软件设计中的重点是以下两部分。  

(1)Nios系统内DMA控制器的编程  

在DMA传输过程中需要完成的操作有：①配置DMA控制器；②软件启动DMA外设，开始DMA传输；③DMA控制器的主设备读端口从目标地址读取数据，主设备写端口向目标地址写入数据；④DMA传输结束。  

这一过程中，需要向DMA控制器的寄存器中写入控制指令来开启一次数据传输过程。要求初始化的寄存器有：status、readaddress、wi rte￡Jddress、length和contiol。之后调用系统提供的DMA子程序开启一次DMA操作，使用的DMA子程序有：nr_dma_opy_1_tO_rarlge(在原地址和目标地址之间，传输length长度的数据，原地址固定，而目标地址在每次传输后增加)，用于完成数据读取操作时，从FIFO缓冲区中向SDRAM里传输数据；nr_dma_copy_range_to_l(在原地址和目标地址之间，传输lengt长度的数据，目标地址固定，而原地址在每次传输后增加)，用于完成数据写操作时，从SDRAM里向FIFO中缓冲数据。