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TMS320F240的IDE接口仿真器設計
摘要：介紹以TMS320F240為核心，設計IDE接口仿零點器的硬件和軟件設計方法。突出特點是硬件設計簡練實用，監控軟件精巧靈活。在設計嵌入式系統調試工具中具有典型性和實用性，對其它系統的調試也借鑒作用。關鍵詞：仿真器 監控程序 硬件調試 IDE接口
隨著航空電子系統數字化的發展，機載嵌入式計算機逐步擺脫了“純粹嵌入”時代，開始以主要控制角色而顯露頭腳。其存儲系統也和地面計算機系統一樣，提出了“海量存儲”的要求。借鑒和使用IDE接品時一條重要途徑。但在調試時一般缺乏IDE接口主方（Host）控制器。PC機雖然帶有兩個標準的集成在主板上的IDE接口，但在目前的Widows系統下卻是透明的，無法在硬件調試級進行控制驅動。“工欲善其事，必先利其器”。為解決調試工具，筆者在此前自己動手，設計了一個IDE接口仿真器。硬件極其簡練實用，軟件精巧靈活。介紹出來，與大家切磋。
1 仿真器硬件設計
眾所周知，IDE/ATA接口是16位總線，映像在主機的I/O空間，由主機對接口內的2組寄存器操作來完成“海量存儲”。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控程序的控制下產生對應控制信號，便能真實地仿真IDE調試所需的環境。需要仿真處理的主要信號如表1所列。信號方向以仿真器為參照，輸出（Output）方向由仿真器驅動，輸入（Input）信號由IDE設備驅動。
表1 主要仿真處理的信號
IDE接口的讀寫時序和一般CPU外設時序波形相似，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的時序波形。只要使用外部READY信號，把I/O周期延長到70ns以上，就可以保證仿真數據讀寫可靠。以F240為核心，仿真器硬件設計真數據讀寫可靠。以F240為核心，仿真器硬件設計就非常簡練。其全部硬件電路如圖1、圖2和圖3所示。除去初期調試和驅動芯片外，整個核心就是F240和GAL16V8，已經仿真全部的IDE時序波形，圖1是仿真器自身調試仿真監控程序時電路。使用2片CY7C199,組成32K×16位的片外RAM程序存儲器空間。當程序調試完成后，斷開H1，將監控程序通過JTAG口直接燒入F240，就可以拔去2片外部程序存儲器CY7C199。
圖1 調試時的程序存儲器配置
當仿真監控程序調試完成后，正式定型的仿真核心電路如圖2所示。電路設計總的原則是簡練實用，所以復位采用普通的RC電路，外加手工復位開關SW保證仿真器自身復位；利用RS232和主機之間通信，減少硬件額外開銷；IDE接口的中斷請求HIRQ直接接F240的外部中斷XINT1（因為HIRQ高電平有效，所以將蓁不用的外部斷XINT2等接地，保證蓁中斷源不產生中斷請求，減少軟件中斷響應多重判斷環節）；將F240的PB端口設置為輸出端口，DMA請求HDRQ接到PB端口的最低位PB0，可以直接由硬件檢測DRQ狀態即可，并不真正需要DMA控制器；將F240的PC端口設置為輸出端品，最高位PC7為復位IDE端口信號，當該位設置為0（低電平）時，產生復位IDE設備信號HDRST，該位設置為1時結束復位。其復位時間可由軟件控制。IDE設備的寄存器映像在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區分產生CFIFX和CS3FX即可。接口內偏移地址直接由A2～A0提供。F240的寫信號WR可以直接作為接口寫信號。但是F240的讀信號是狀態信號，在連續讀操作中保持低電平，并無上升沿，所以需要專門產生讀信號。PC主機通過串口和仿真器通信，監控仿真器，從而驅動調試的IDE設備。仿真器和IDE設備通過標準的硬盤電纜連接。為提高信號的抗干擾能力，這些信號經過總線驅動器驅動。圖3是驅動和接口電路。
數據通路用16路驅動的IDT74LS16245實現，開門信號直接由I/O片選信號IS控制，方向端由寫信號WR控制。而單向提供給IDE設備的其它信號，都經過54F244驅動。所有控制信號由GAL16V8實現。以下是其控制邏輯代碼，信號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上電復位和F240設置復位都產生IDE復位
！CS1FX=!IS&！A3； //A3=0；產生第一組寄存器片選CS1FX=!IS & A3； //A3=1：產生第二組寄存器片選CS3FX
！IOR=!IS & !RD; //*專門產生寄存器讀信號.
[Q1,Q0].CLK=CPUCLK;
[Q1,Q0].OE=!OE;
[Q1,Q0].AR=!POR; //復位
//==============================================
//F240系統控制狀態機
//時鐘20MHz，每一拍50ns
//程序存儲器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
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: //時間到
READY240=H；
Goto S0; //F240對READY信號只采樣一次
END
仿真硬件的核心只有1片F240和1片GAL16V8。
圖3 驅動與接口電路
2 仿真器監控軟件設計
軟件設計包括駐留F240的監控程序和PC宿主機的監控程序，兩者之間通過串口配合工作。這當然降低了IDE接口的數據吞吐率，但在邏輯仿真調試時不是主要焦點。為簡約起見，避免復雜的詞法分析，主從之間采用單字符監控命令。其串口監控命令通信幀定義如下：
0 1 2…n-2 n-1 幀標志（AAH） 命令字符（Cmd） 參數項 校驗和CheckSum其校驗和為前n-1個字節代數和的補碼，即
CheckSum=-∑Bi(i=0,1…n-1)
下面介紹幾個主要命令和程序實現方法，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
當監控程序識別出1命令后，根據參數提供的寄存器索引，映射為對應的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號索引，即讀數據寄存器
SUB #1
BZ IsError ;/*號索引，即讀錯誤類型寄存器
…
BZ IsAltReg ;8號索引，即讀后備狀態寄存器
SUB #1
BZ IsDrvAddrReg ;9號索引，即讀驅動器地址寄存器
…
IsDatReg
IN Value,DatReg ;讀數據寄存器
RET
IsAltReg：
IN Value,DevAddrReg;讀驅動器地址寄存器
RET
當I命令執行完畢后，應該將寄存器讀入值回送PC主機。
（2）0命令:寫IDE寄存器
寄存器輸出命令參數需要提供寄存器索引和映射為對應的I/O地址。
（3）H命令：硬件復位IDE設備
硬件復位時應將F240的IOPC7引腳設置為低電平10ms以上。
LDP #00E1h ;DP=00E1H:708H～70FFH的頁址
LACL #8000H ；D15=1：IOPC7：作輸出
D7=0；設置IOPC7=0
SACL PCDATDIR ；寫PC端口，設置HRST信號為低電平
CALL Delay 10ms ；保持復位信號10ms的低電平
LACL #8080H ；D15=1：IOPC7：作輸出
；D7=1：設置IOPC7=1
SACL PCDATDIR ；恢復HRST信號為高電平
類似地，監測DMA請求HDRQ狀態時，可以設置端為輸入屬性，然后讀入IOPB0。監測中斷請求HIRQ時，可以直接讀XINT1狀態，即讀7070H處的XINT1CR寄存器。
（4）S命令：軟件復位IDE設備
軟件復位時可以向IDE接口的DevCtrlReg（設備控制寄存器）寫入適當值實現。
LDP #0 ;指向.bss變量區
SPLK=#000EH,Value ;D2=SW Rst=1:軟件強制復位
；D1=/IEn=1:禁止IDE發中斷
OUT Value,DevCtrlReg ;復位IDE設備
CALL Delay 10ms ；保持復位狀態10ms
SPLK #000AH,Value ;D2=SW Rst=0：結束復位狀態
OUT Value,DevCtrlReg
CALL Delay 10ms
SPLK #000EH,Value ;D6=LBA=1:采用邏輯塊尋址模式
OUT Value,DrvHeadReg ;設置驅動器寄存器
（5）C命令：讀取IDE設備ID號和相關配置
IDE設備內的相關配置對其它操作影響較大，主機應該掌握這些參數。諸如柱面數、磁頭數、每個磁道的扇區數以及最大扇區號等。這段程序稍微復雜一些。
CALL WaitRDY ;讀狀態寄存器，等待D6=1，亦即IDE設備完成上次命令
SPLK#000EH,Value
OUT Value,DrvHeadReg ;選擇主從驅動器
SPLK #00ECH，Value
OUT Value,CmdReg ；發命令，讀取配置參數
CALL WaitDRQ ；讀狀態寄存器，等待D6=1并且D3=1，亦即RDY并發出DRQ請求
MAR *，AR1 ；AR1：當前輔助寄存器
LAR AR1，#BufSADDR ;AR1→扇區緩沖區開始地址
RPT #0FFh ；循環次數=FFH+1=256
IN *+,DatReg ；讀入配置數據
讀出配置參數后，再把它送給PC機的監控程序，從中再細分出具體參數。
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類似地，讀一個扇區或寫一個扇區的命令與這個命令相似。只是在發命令前應該設置柱面扇區等寄存器定位到具體的扇區。
（6）PC宿主機監控程序功能
PC宿主機監控程序主要通過串口監控仿真器。在底層通信中，應該為每一個監控命令建立對應函數。在應用層，可以將幾個簡單命令有機組合，完成復雜功能，減小仿真器駐留監控難度。例如，在讀取配置參數命令中，分解緩沖數據。在讀寫扇區命令中，將LBA邏輯扇區地址分解成驅動器號、扇區號、柱面號等。
重要的是為用戶提供一個Windows環境下特別容易操作的接口界面，貼近硬件調試，產生所需信號波形，用示波器捕獲分析。圖4是宿主機的一個界面，具體方法細節不再討論。
結語
隨著航空電子新系統研制的智能化和接口標準化，硬件調試對仿真設備和環境要求也越來越高。鑒于成本和上市時間的限制，采用嵌入式CPU研制一些簡單實用的仿真設備，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，在多個型號的Flash Disk研制中發揮了重要作用。
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