基于DSP的CompactFlash卡接口设计

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随着半导体技术的发展，小型化、大容量、低功耗、智能型是未来存储技术的发展方向。近年来，各种小型存储媒体不断问世，在便携式设备中应用广泛。这些存储媒体大多以Flash Memory(闪烁存储器)为主要载体，内部用微处理器进行时序控制和存储管理，通常做成非易失性存储卡形式。

目前常见的存储卡类型有：①MultiMedia Card(多媒体卡)；②CompactFlash Card(快闪磁盘卡)；③SmartMedia Card(智能媒体卡)；④memoryStick(记忆棒)。各存储卡在功耗、体积、容量等方面各有特色，但它们之间的接口目前还互不兼容。
CompactFlash 卡(以下简称CF卡)最先由SanDisk 公司于1994年生产，随后CFA CompactFlash Association 协会(它是一个由国际著名IT公司为了共同利益而成立的非盈利机构)于1995年10月成立并陆续制订了详细的CompactFlash 存储卡统一规范，该规范目前已成为一个工业标准。

由于CF卡容量大、价格低，接口兼容磁盘IDE、ATA及Memory等格式，和其它存储卡相比，CF卡使用越来越普遍。在大容量便携式数据存储和传输过程中，CF卡有着非常广泛的应用前景，如数码相机、MP3播放器、PDA(个人数字助理)、数字式录音机、笔记本电脑、手提电话、机顶盒等。预计今后在其它领域将有更为广泛的应用。另外，随着DSP技术的飞速发展，由DSP快速处理的大量数据需要大容量的存储媒体进行数据的保存、转移等。考虑到CF卡和DSP相比接口速度较慢，因而DSP不能直接和CF卡接口兼容，为了实现DSP对CF卡的数据访问和管理功能，本文给出了基于DSP的CF卡接口设计，该设计在多个科研项目中得到了应用和推广。

1 CF卡简介
目前有许多公司生产CF卡产品，由于CF卡已成为工业标准，各公司生产的CF卡均符合标准规范，只是存储容量、扇区缓冲器大小、访问速度、平均无故障时间、工作温度、纠错编码等指标略有差异(这些差异在标准范围内)。CF卡主要技术指标如下：
(1)结构先进，以SanDisk公司为代表的CF卡内部结构如图1所示。

外部和主机接口采用50芯双列0.05英寸间距物理连接。CF卡内部采用一个微控制器(MCU)管理数据访问格式、接口控制时序等；一个512Byte以上的双端口扇区缓冲器SRAM BUFFER 和DMA控制器，用于和外部进行快速数据交换；一个256Byte的固化只读存储器Firmware Storage ，放置该CF 卡的特征信息CIS Card Information Structure ，内容包括扇区总数、柱面数、磁头数、每磁道扇区数、公司序列号等；一个电源管理单元(PMU)可使CF卡在空闲时进入睡眠状态，进行有效的电源管理，降低系统功耗。先进的内部结构使CF卡能支持多种接口访问模式，如Memory Card 模式、I/O Card模式和True IDE模式等。
(2)访问速度快，写入FLASH速度可维持在1.4Mbyte/s。
(3)体积小，尺寸为36.4mm×42.8mm×3.3mm。
(4)容量大，常见的有8、12、16、24、32、48、64、96、128、256、348、512MByte等随着超大规模集成电路的快速发展，目前CF卡的TYPE II型容量已经达到了1.2GByte。
(5)无机械结构，抗冲击(达2000G)，耐震动(达15G)。
(6)可靠性高，有效的数据保护及纠错编码技术，使得CF卡平均无故障工作时间达一百万小时。
(7)供电灵活，支持5V或3.3V电源电压。
(8)具有热插拔、掉电时数据不丢失、保存数据时间长、可重复擦写(一百万次)等特点。

2 CF卡与DSP接口硬件设计
2.1 CF卡接口简述
CF卡采用50脚双列0.05英寸细间距标准接口，管脚排列如表1所示。

其电气特性符合ATA/IDE磁盘接口规范，可直接插入PCMCIA TypeII适配卡中。支持5V和3.3V电源工作，允许不同系统对硬件和软件的设计要求。数据访问以512Byte为一个扇区单元，完全和磁盘接口兼容，可用Memory mapped、IDE等格式进行访问。由于IDE 访问模式涉及到复杂的文件管理，为了节省系统资源及简化设计，本系统由DSP实现嵌入式设计并采用Memory mapped访问方式。另外，CF卡的上电缺省模式即是Memory mapped，免去了繁琐的寄存器设置。CF的数据总线宽度为16bits，由－CE1和－CE2脚控制，可允许8位或16位访问。其详细的管脚定义见参考文献1 。

2.2 DSP简介
随着数字信号处理器(DSP)在理论上和技术上的快速发展，其技术已广泛应用于数字通信、雷达、声纳、语音合成、图像处理、多媒体技术、生物医学等各个领域。随着科学技术的发展，其研究范围和应用领域还在不断地发展和扩大。本系统采用TI公司的TMS320C54x系列定点高性能低功耗型数字信号处理器实现和CF卡的连接。TMS320C54x DSP芯片的主要特点 2~4 如下：
(1)40~160MIPS的运算速度。
(2)先进的多总线结构(1条程序总线、3条数据总线和4条地址总线)。
(3)40位算术逻辑运算单元(ALU)。
(4)17×17位并行乘法器。
(5)192K字可寻址存储空间(64K字程序存储器，64K字数据存储器以及64K字I/O空间)，其中C548、C549和有些C54x x程序存储空间可扩展至8M字。
(6)高效的并行指令系统。
(7)多种外围接口方式。
(8)软件可控的低功耗工作模式。
DSP具有很强的数据处理能力，有多种外部接口形式，如有三组并行16位的数据接口(数据总线共用)和多个带缓冲的串行接口。但这些端口不能和CF卡直接相连，本文采用一个复杂可编程逻辑器件(CPLD) 5 配合DSP和CF卡之间的逻辑控制和时序关系。

2.3 硬件接口
TMS320C54x对外有I/O、程序及数据3个并行16位访问空间，分别由对应的空间选择信号线选通，本设计选用I/O空间和CF卡接口，如图2所示。

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