TMS320F240的IDE接口仿真器設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：仿真器 監(jiān)控程序 硬件調(diào)試 IDE接口
隨著航空電子系統(tǒng)數(shù)字化的發(fā)展，機(jī)載嵌入式計(jì)算機(jī)逐步擺脫了“純粹嵌入”時(shí)代，開始以主要控制角色而顯露頭腳。其存儲(chǔ)系統(tǒng)也和地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一樣，提出了“海量存儲(chǔ)”的要求。借鑒和使用IDE接品時(shí)一條重要途徑。但在調(diào)試時(shí)一般缺乏IDE接口主方（Host）控制器。PC機(jī)雖然帶有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的集成在主板上的IDE接口，但在目前的Widows系統(tǒng)下卻是透明的，無法在硬件調(diào)試級(jí)進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)?！肮び破涫拢叵壤淦鳌?。為解決調(diào)試工具，筆者在此前自己動(dòng)手，設(shè)計(jì)了一個(gè)IDE接口仿真器。硬件極其簡練實(shí)用，軟件精巧靈活。介紹出來，與大家切磋。
1 仿真器硬件設(shè)計(jì)
眾所周知，IDE/ATA接口是16位總線，映像在主機(jī)的I/O空間，由主機(jī)對(duì)接口內(nèi)的2組寄存器操作來完成“海量存儲(chǔ)”。這些寄存器僅由2根片選（CS1FX、CS3FX）和3根地址線（A2、A1、A0）尋址。仿真器硬件只要能在監(jiān)控程序的控制下產(chǎn)生對(duì)應(yīng)控制信號(hào)，便能真實(shí)地仿真IDE調(diào)試所需的環(huán)境。需要仿真處理的主要信號(hào)如表1所列。信號(hào)方向以仿真器為參照，輸出（Output）方向由仿真器驅(qū)動(dòng)，輸入（Input）信號(hào)由IDE設(shè)備驅(qū)動(dòng)。
表1 主要仿真處理的信號(hào)
| 信號(hào)名 | 方 向 | 有效電平 | 功 能 |
| HDRST | O（輸出） | L（低） | 復(fù)位IDE設(shè)備 |
| CS1FX | O（輸出） | L（低） | 第一組寄存器片選 |
| CS3FX | O（輸出） | L（低） | 第二組寄存器片選 |
| A2～A0 | O（輸出） | 組合值 | 接口內(nèi)寄存器偏移地址 |
| IOR | O（輸出） | L（低） | 寄存器讀信號(hào) |
| IOW | O（輸出） | L（低） | 寄存器寫信號(hào) |
| D15D0 | I/O（雙向） | 組合值 | 數(shù)據(jù)總線，寫時(shí)由仿真器驅(qū)動(dòng)，讀時(shí)由IDE設(shè)備驅(qū)動(dòng) |
| DRQ | I（輸入） | H（高） | DMA請(qǐng)求 |
| IRQ | I（輸入） | H（高） | 中斷請(qǐng)求 |
IDE接口的讀寫時(shí)序和一般CPU外設(shè)時(shí)序波形相似，其讀取周期為70ns，具體波形不再給出。使用TI公司的TMS320F240（以下簡稱F240）可以方便地仿真出IDE的時(shí)序波形。只要使用外部READY信號(hào)，把I/O周期延長到70ns以上，就可以保證仿真數(shù)據(jù)讀寫可靠。以F240為核心，仿真器硬件設(shè)計(jì)真數(shù)據(jù)讀寫可靠。以F240為核心，仿真器硬件設(shè)計(jì)就非常簡練。其全部硬件電路如圖1、圖2和圖3所示。除去初期調(diào)試和驅(qū)動(dòng)芯片外，整個(gè)核心就是F240和GAL16V8，已經(jīng)仿真全部的IDE時(shí)序波形，圖1是仿真器自身調(diào)試仿真監(jiān)控程序時(shí)電路。使用2片CY7C199,組成32K×16位的片外RAM程序存儲(chǔ)器空間。當(dāng)程序調(diào)試完成后，斷開H1，將監(jiān)控程序通過JTAG口直接燒入F240，就可以拔去2片外部程序存儲(chǔ)器CY7C199。
圖1 調(diào)試時(shí)的程序存儲(chǔ)器配置
當(dāng)仿真監(jiān)控程序調(diào)試完成后，正式定型的仿真核心電路如圖2所示。電路設(shè)計(jì)總的原則是簡練實(shí)用，所以復(fù)位采用普通的RC電路，外加手工復(fù)位開關(guān)SW保證仿真器自身復(fù)位；利用RS232和主機(jī)之間通信，減少硬件額外開銷；IDE接口的中斷請(qǐng)求HIRQ直接接F240的外部中斷XINT1（因?yàn)镠IRQ高電平有效，所以將蓁不用的外部斷XINT2等接地，保證蓁中斷源不產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，減少軟件中斷響應(yīng)多重判斷環(huán)節(jié)）；將F240的PB端口設(shè)置為輸出端口，DMA請(qǐng)求HDRQ接到PB端口的最低位PB0，可以直接由硬件檢測DRQ狀態(tài)即可，并不真正需要DMA控制器；將F240的PC端口設(shè)置為輸出端品，最高位PC7為復(fù)位IDE端口信號(hào)，當(dāng)該位設(shè)置為0（低電平）時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位IDE設(shè)備信號(hào)HDRST，該位設(shè)置為1時(shí)結(jié)束復(fù)位。其復(fù)位時(shí)間可由軟件控制。IDE設(shè)備的寄存器映像在F240的I/O空間從0000H開始的16位地址。外部I/O只有IDE接口，不必采用全譯碼，直接由I/O片選IS和地址A3區(qū)分產(chǎn)生CFIFX和CS3FX即可。接口內(nèi)偏移地址直接由A2～A0提供。F240的寫信號(hào)WR可以直接作為接口寫信號(hào)。但是F240的讀信號(hào)是狀態(tài)信號(hào)，在連續(xù)讀操作中保持低電平，并無上升沿，所以需要專門產(chǎn)生讀信號(hào)。PC主機(jī)通過串口和仿真器通信，監(jiān)控仿真器，從而驅(qū)動(dòng)調(diào)試的IDE設(shè)備。仿真器和IDE設(shè)備通過標(biāo)準(zhǔn)的硬盤電纜連接。為提高信號(hào)的抗干擾能力，這些信號(hào)經(jīng)過總線驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。圖3是驅(qū)動(dòng)和接口電路。
數(shù)據(jù)通路用16路驅(qū)動(dòng)的IDT74LS16245實(shí)現(xiàn)，開門信號(hào)直接由I/O片選信號(hào)IS控制，方向端由寫信號(hào)WR控制。而單向提供給IDE設(shè)備的其它信號(hào)，都經(jīng)過54F244驅(qū)動(dòng)。所有控制信號(hào)由GAL16V8實(shí)現(xiàn)。以下是其控制邏輯代碼，信號(hào)名稱和功能可參見圖2。
圖2 核心仿真控制電路
……
EQUATIONS
！HRST=!POR#!HRST;//RC上電復(fù)位和F240設(shè)置復(fù)位都產(chǎn)生IDE復(fù)位
！CS1FX=!IS&！A3； //A3=0；產(chǎn)生第一組寄存器片選CS1FX=!IS & A3； //A3=1：產(chǎn)生第二組寄存器片選CS3FX
！IOR=!IS & !RD; //*專門產(chǎn)生寄存器讀信號(hào).
[Q1,Q0].CLK=CPUCLK;
[Q1,Q0].OE=!OE;
[Q1,Q0].AR=!POR; //復(fù)位
//==============================================
//F240系統(tǒng)控制狀態(tài)機(jī)
//時(shí)鐘20MHz，每一拍50ns
//程序存儲(chǔ)器CY7C199讀寫周期≤35ns，無需等待
//IDE接口寄存器讀寫周期≥70ns，等待2拍
//===============================================
State_Diagram [Q1,Q0];
State S0: //空閑狀態(tài)
READY=H; //支持CY7C199訪問
if(!IS)then //要訪問IDE接口寄存器
S1 with {READY240=L;}
State S1: //開始等待
READY240=L；
Goto S2;
State S2:
READY240=L;
Goto S3;
State3: //時(shí)間到
READY240=H；
Goto S0; //F240對(duì)READY信號(hào)只采樣一次
END
仿真硬件的核心只有1片F(xiàn)240和1片GAL16V8。
圖3 驅(qū)動(dòng)與接口電路
2 仿真器監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)包括駐留F240的監(jiān)控程序和PC宿主機(jī)的監(jiān)控程序，兩者之間通過串口配合工作。這當(dāng)然降低了IDE接口的數(shù)據(jù)吞吐率，但在邏輯仿真調(diào)試時(shí)不是主要焦點(diǎn)。為簡約起見，避免復(fù)雜的詞法分析，主從之間采用單字符監(jiān)控命令。其串口監(jiān)控命令通信幀定義如下：
| 0 | 1 | 2…n-2 | n-1 |
| 幀標(biāo)志（AAH） | 命令字符（Cmd） | 參數(shù)項(xiàng) | 校驗(yàn)和CheckSum |
其校驗(yàn)和為前n-1個(gè)字節(jié)代數(shù)和的補(bǔ)碼，即
CheckSum=-∑Bi(i=0,1…n-1)
下面介紹幾個(gè)主要命令和程序?qū)崿F(xiàn)方法，其中寄存器名稱和地址可參考圖4界面。
（1）1命令：讀IDE寄存器
當(dāng)監(jiān)控程序識(shí)別出1命令后，根據(jù)參數(shù)提供的寄存器索引，映射為對(duì)應(yīng)的I/O地址。F240的輸入/輸出命令與x86系列不同，它在指令中必須直接給出地址。
…
LACC Reg
BZ IsDatReg ;0號(hào)索引，即讀數(shù)據(jù)寄存器
SUB #1
BZ IsError ;/*號(hào)索引，即讀錯(cuò)誤類型寄存器
…
BZ IsAltReg ;8號(hào)索引，即讀后備狀態(tài)寄存器
SUB #1
BZ IsDrvAddrReg ;9號(hào)索引，即讀驅(qū)動(dòng)器地址寄存器
…
IsDatReg
IN Value,DatReg ;讀數(shù)據(jù)寄存器
RET
IsAltReg：
IN Value,DevAddrReg;讀驅(qū)動(dòng)器地址寄存器
RET
當(dāng)I命令執(zhí)行完畢后，應(yīng)該將寄存器讀入值回送PC主機(jī)。
（2）0命令:寫IDE寄存器
寄存器輸出命令參數(shù)需要提供寄存器索引和映射為對(duì)應(yīng)的I/O地址。
（3）H命令：硬件復(fù)位IDE設(shè)備
硬件復(fù)位時(shí)應(yīng)將F240的IOPC7引腳設(shè)置為低電平10ms以上。
LDP #00E1h ;DP=00E1H:708H～70FFH的頁址
LACL #8000H ；D15=1：IOPC7：作輸出
D7=0；設(shè)置IOPC7=0
SACL PCDATDIR ；寫PC端口，設(shè)置HRST信號(hào)為低電平
CALL Delay 10ms ；保持復(fù)位信號(hào)10ms的低電平
LACL #8080H ；D15=1：IOPC7：作輸出
；D7=1：設(shè)置IOPC7=1
SACL PCDATDIR ；恢復(fù)HRST信號(hào)為高電平
類似地，監(jiān)測DMA請(qǐng)求HDRQ狀態(tài)時(shí)，可以設(shè)置端為輸入屬性，然后讀入IOPB0。監(jiān)測中斷請(qǐng)求HIRQ時(shí)，可以直接讀XINT1狀態(tài)，即讀7070H處的XINT1CR寄存器。
（4）S命令：軟件復(fù)位IDE設(shè)備
軟件復(fù)位時(shí)可以向IDE接口的DevCtrlReg（設(shè)備控制寄存器）寫入適當(dāng)值實(shí)現(xiàn)。
LDP #0 ;指向.bss變量區(qū)
SPLK=#000EH,Value ;D2=SW Rst=1:軟件強(qiáng)制復(fù)位
；D1=/IEn=1:禁止IDE發(fā)中斷
OUT Value,DevCtrlReg ;復(fù)位IDE設(shè)備
CALL Delay 10ms ；保持復(fù)位狀態(tài)10ms
SPLK #000AH,Value ;D2=SW Rst=0：結(jié)束復(fù)位狀態(tài)
OUT Value,DevCtrlReg
CALL Delay 10ms
SPLK #000EH,Value ;D6=LBA=1:采用邏輯塊尋址模式
OUT Value,DrvHeadReg ;設(shè)置驅(qū)動(dòng)器寄存器
（5）C命令：讀取IDE設(shè)備ID號(hào)和相關(guān)配置
IDE設(shè)備內(nèi)的相關(guān)配置對(duì)其它操作影響較大，主機(jī)應(yīng)該掌握這些參數(shù)。諸如柱面數(shù)、磁頭數(shù)、每個(gè)磁道的扇區(qū)數(shù)以及最大扇區(qū)號(hào)等。這段程序稍微復(fù)雜一些。
CALL WaitRDY ;讀狀態(tài)寄存器，等待D6=1，亦即IDE設(shè)備完成上次命令
SPLK#000EH,Value
OUT Value,DrvHeadReg ;選擇主從驅(qū)動(dòng)器
SPLK #00ECH，Value
OUT Value,CmdReg ；發(fā)命令，讀取配置參數(shù)
CALL WaitDRQ ；讀狀態(tài)寄存器，等待D6=1并且D3=1，亦即RDY并發(fā)出DRQ請(qǐng)求
MAR *，AR1 ；AR1：當(dāng)前輔助寄存器
LAR AR1，#BufSADDR ;AR1→扇區(qū)緩沖區(qū)開始地址
RPT #0FFh ；循環(huán)次數(shù)=FFH+1=256
IN *+,DatReg ；讀入配置數(shù)據(jù)
讀出配置參數(shù)后，再把它送給PC機(jī)的監(jiān)控程序，從中再細(xì)分出具體參數(shù)。
類似地，讀一個(gè)扇區(qū)或?qū)懸粋€(gè)扇區(qū)的命令與這個(gè)命令相似。只是在發(fā)命令前應(yīng)該設(shè)置柱面扇區(qū)等寄存器定位到具體的扇區(qū)。
（6）PC宿主機(jī)監(jiān)控程序功能
PC宿主機(jī)監(jiān)控程序主要通過串口監(jiān)控仿真器。在底層通信中，應(yīng)該為每一個(gè)監(jiān)控命令建立對(duì)應(yīng)函數(shù)。在應(yīng)用層，可以將幾個(gè)簡單命令有機(jī)組合，完成復(fù)雜功能，減小仿真器駐留監(jiān)控難度。例如，在讀取配置參數(shù)命令中，分解緩沖數(shù)據(jù)。在讀寫扇區(qū)命令中，將LBA邏輯扇區(qū)地址分解成驅(qū)動(dòng)器號(hào)、扇區(qū)號(hào)、柱面號(hào)等。
重要的是為用戶提供一個(gè)Windows環(huán)境下特別容易操作的接口界面，貼近硬件調(diào)試，產(chǎn)生所需信號(hào)波形，用示波器捕獲分析。圖4是宿主機(jī)的一個(gè)界面，具體方法細(xì)節(jié)不再討論。
結(jié)語
隨著航空電子新系統(tǒng)研制的智能化和接口標(biāo)準(zhǔn)化，硬件調(diào)試對(duì)仿真設(shè)備和環(huán)境要求也越來越高。鑒于成本和上市時(shí)間的限制，采用嵌入式CPU研制一些簡單實(shí)用的仿真設(shè)備，是解決矛盾的一條重要途徑。本文所介紹的IDE接口仿真器硬件簡練、軟件精巧，在多個(gè)型號(hào)的Flash Disk研制中發(fā)揮了重要作用。
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