基于多CF接口系統的總線設計與實現

1.引言 　　

CF卡 （Compactflash：壓縮閃存）是目前世界上外形最小的大容量存儲設備，1994年由SanDisk最先推出。它與PCMCIA完全兼容，是一種固態產品，工作時沒有運動部件。它極少出現機械故障，存儲的數據非常安全，是應用最為廣泛的存儲卡。而且耗電量小，只有普通硬盤的5%。與其它存儲卡相比，容量大是CF卡的一個比較明顯的優勢，目前主流產品已經達到512Mb和1Gb標準。另外它還具備速度快、價格便宜等優點。CF卡采用閃存（flash）技術，是一種穩定的存儲解決方案，不需要電池來維持其中存儲的數據。對所保存的數據來說，CF卡比傳統的磁盤驅動器，更具安全性和保護性。

CF卡的應用特別廣泛。CF卡協會（CompactFlash Association：CFA）成立的初衷是希望CF技術能廣泛用于便攜式計算機、臺式機、數碼相機、手持條碼掃描器、高級雙向尋呼機、錄音機、監視器、機頂盒等產品中。采用CF技術可以使得這些產品的功能得到擴展、體積變小、質量變輕。雖然以上目標還遠遠沒有完全實現，但它已經廣泛地用于很多領域，其中CF IO卡已經在調制解調器、網卡、數字電話卡、激光掃描儀及藍牙技術中得到了普遍的應用。隨著人們對設備的小型化和自動化的要求越來越高，CF卡的應用將會更加廣泛。

2．CF卡的應用現狀 　　

CF卡是由一個控制芯片和一個閃存組成，接口有50個腳（兩排），它能夠很容易地插入68針II型適配器卡（符合PCMCIA的技術要求）中使用。CF卡可以使用3.3V和5V兩種電壓工作，但對一個確定的卡，只能工作于一種電壓。

現在一般的PC機上并沒有直接提供CF接口，對它的應用都是通過專門的讀卡器或是轉接設備來完成的。現在有很多從USB接口到CF接口的轉接設備，例如朗科公司剛推出基于閃存技術的第一款數碼移動存儲產品――優卡，就是其中的一個。它采用內置USB和CF雙接口，用戶將優卡中的圖片、音樂或其它數據上傳至電腦時，簡化了對CF卡的操作過程，但它僅能支持一個CF卡，目前還沒有擴展出多個CF接口的設備，而且，它只是一種簡化的讀卡器，需要專門的設備，沒有充分發揮出CF卡的優勢，限制了對CF卡的更加有效的利用。

3．總線操作問題及解決思路 　　

總線是構成系統的互連機構，是多個系統功能部件之間進行數據傳送的公共通路。借助于總線連接，各系統功能部件之間實現地址、數據和控制信息的交換，并在爭用資源的基礎上進行工作。

3.1 系統中的總線問題 　　

在這個系統中，當多個CF卡同時工作時，需要進行很多操作，處理器間要進行數據和狀態字的相互交換，要向共享存儲器存取數據，還要對輸入輸出設備進行讀寫，所有這些操作都要用到總線。特別是當對實時性要求較高時，總線的操作會遇到很多的問題： 　　

（1）多個CF卡同時占用總線時，如何避免總線的沖突。

（2）當一個操作占用總線時間過長時，且其請求得不到滿足時，如何避免“死鎖“問題。

（3）在緊急情況下，有一個操作要立即占用總線，此時，如何使它在最短的時間內獲得總線的控制權。

以上問題在系統上表現為性能不穩定，經常性死機，要解決這些問題，必須選擇合適的總線仲裁機制，使其靈活、可靠地完成各種工作。

3.2 多CF卡總線仲裁機制 　　

總線仲裁機制包括總線仲裁策略和總線仲裁方式兩方面。我們要求仲裁機制公平、有效、全理，而且要結構簡單，容易實現。這時我們主要討論仲裁方式，常見的仲裁方式有集中式和分布式兩種。所謂集中式仲裁中每個功能模塊有兩條線連到中央仲裁器：一條是送往仲裁器的總線請求信號線，一條是仲裁器送出的總線授權信號線。示意圖如下：

　　集中式仲裁方式的電路簡單，速度快；但它的容錯能力差，魯棒性不夠好。

分布式仲裁不需要中央仲裁器，每個潛在的功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁器。共享的仲裁總線上總是保留著當前占用總線模塊的仲裁號，當其它模塊有總線請求時，各仲裁器將從仲裁總線上得到的號與自己的號進行比較。如果仲裁總線上的號大，則它的總線請求不予響應，并撤消它的仲裁號。最后，獲勝者的仲裁號保留在仲裁總線上。示意圖如下： 　　分布式仲裁方法雖然電路復雜一點，但容錯能力強，可擴展性好，當其中一部分出現故障時，不會影響其它的部分的工作。

3.3 本系統仲裁策略的解決方案 　　

本系統采用計數器定時查詢的仲裁策略，這是集中式仲裁方式的一種，其基本思想是，總線上的任一設備要求使用總線時，通過共同的請求線向中央仲裁器發出總線請求。仲裁器接到請求信號以后，在總線不忙的情況下，讓仲裁地址計數器開始計數，計數值通過一組地址線發向各設備。每個設備接口都有一個設備地址判別電路，當地址線上的計數值與請求總線的設備地址相一致時，該設備把總線狀態設為占用，獲得了總線使用權，同時中止計數查詢。該方式的特點是計數靈活，既保證了仲裁的公平，也突出了重點。

這種方式很好決了總線沖突和“死鎖”的問題。對于緊急占用的問題，可以通過中斷廣播的方法來實現。即當有一個CF卡需要緊急服務時，它向所有的設備發出占用總線的中斷請求，其它設備檢查自己是否占用總線，如果占用，就馬上釋放；沒有占用，就繼續執行自己的操作。當緊急任務完成后，該CF卡再把總線控制權交給原來控制總線的設備。這樣就可以使各設備的優先權得到保證。

4.具體的設計實現 　　

本系統中的多CF卡采用INTEL公司的PD6722作為主控。它是一個專門的從ISA總線擴展出兩個符合PCMCIA標準的芯片，不需要其它任何控制電路。它能直接管理地址在64K到16M之間，通過一個地址偏移量寄存器（存有所管理的地址的起始位置）把它映射到一個64M的地址上。通過擴展，可以方便地控制四個CF接口。而且它自身包含了仲裁邏輯電路，所以基本不需要另外的仲裁電路，這為設計帶來了很大的方便。

設計本系統的主要工作是對如何更加有效地種用總線。要使多個CF接口能夠協同工作，我們不但要做好硬件的設計，還要選擇良好的總線仲裁策略。設計示意圖如下： 　　這個系統直接連到系統的總線上，在加電的同時，總線首先由主控占用，并由主控對各個接口進行初始化的配置，把相應的工作模式配置到各個端口，并為它們分發時間片和優先級，然后用計數器定時查詢方式進行工作。

由于本系統用了集中仲裁方式來控制總線，解決了總線沖突、“死鎖”和緊急服務的問題，能夠保證系統的正常工作，達到了設計的要求。當然本系統也有脆弱的一面，主要體現在對主控的存賴度較高，如果主控芯片出了問題，對本系統的打擊是致命的，這一點我們會在以后的工作中加以改進。