摘  要： 介紹了8086全硅計算機的體系架構， 設計了8086全硅計算機與SD卡連接的硬件接口，并使用軟件和硬件相結合的調試方法，可快速調試驗證SD卡的功能。通過FPGA的驗證，SD卡作為8086全硅計算機的硬盤，可以簡化設計過程、縮短設計周期。
關鍵詞： APB總線；SD卡；全硅計算機；固態硬盤

    全硅計算機CoC(Computer-on-a-Chip)將傳統PC機主板上的CPU、芯片組、內存、顯卡、聲卡和網卡等芯片最大限度地集成到單個芯片中。8086 CoC集成了Intel
8086 CPU[1]全硅計算機，而由于8086 CoC高度集成性，傳統的機械硬盤已不適合。采用嵌入式的存儲設備，例如固態硬盤(Solid-State Disk)利用Flash芯片作為存儲介質，符合ATA[2]/SATA/SCSI等接口傳輸協議。固態硬盤設計最大的障礙就是設計過程復雜，用閃存(Flash Memory)芯片作為核心存儲介質的固態硬盤需要設計復雜的控制器[3]。為了簡化設計的復雜性又兼顧固態硬盤的優點，本設計采用SD卡(Secure Digital Card)作為8086 CoC的硬盤。因為SD卡是基于閃存的存儲卡，具有固態硬盤的特性，安全性高、容量大、性能佳、環境適應性好等優點。采用SD卡作為8086 CoC的硬盤可避免設計復雜的硬盤控制器。
1 硬件設計
    8086 CoC系統采用AMBA雙總線結構，高速設備如內存(SDRAM)、顯卡(VGA)等通過AHB總線與CPU進行數據交換，而低速設備則經由APB總線(Advanced Peripheral Bus)與CPU通信。SD卡作為8086 CoC的硬盤屬于低速I/O，因此SD卡是掛接在APB總線上。SD卡接口可以插入SD卡作為類似硬盤的大容量存儲設備使用，CPU通過APB總線對SD卡的數據進行操作。APB總線與SD卡連接的轉換接口是本文硬件設計的重點，8086 CoC體系架構圖如圖1所示。

1.1 APB接口簡介
    APB總線是AMBA總線的外圍總線，有關于APB總線協議可以參照AMBATM Specification(Rev2.0)。SD卡作為I/O掛接在APB的從主機口上，CPU要對I/O設備訪問，必須對I/O設備分配地址，本設計為SD卡分配的地址(只要與其他端口不沖突，地址可任選)是100H和101H(H為16進制)分別為SD卡的數據端口與片選端口。CPU對SD卡進行訪問時，CPU地址總線傳送APB總線的地址為100H或101H。此時，APB總線通過自身內部的譯碼器使對應的從主機口有效，對應的從機設備被選中、SD卡I/O設備也被選中時，SD卡就可以與主機進行數據通信。
1.2 SD卡接口簡介
    SD卡的工作模式分別是SD模式和SPI模式[4]，本設計采用SPI模式。SD卡的SPI模式設備使用SD卡協議的子協議和部分指令。SPI模式的優勢在于可以使用標準主機，從而把外設減少到最低。表1所示為采用SPI模式下的SD卡的端口定義。

    SPI模式是串行數據傳輸，而SD卡是掛接在APB的從口上的I/O設備，APB是并行數據，要使APB數據與SD卡的數據匹配，必須對APB數據進行轉換，轉換為符合SPI模式下的數據格式。
1.3 SD卡轉換接口的設計
    主機通過APB總線發送和接收的數據是1個字節(8位)的并行數據，而SD卡發送給主機設備的是串行數據，1個字節(8位)為1個數據單位。SD卡每次發送和接收串行數據是以SCLK為采樣時鐘，每次上升沿為1次采樣數據，因此1次完整的數據采樣需要8個SCLK時鐘周期。SD卡被訪問期間的片選信號CS一直要保持為有效低電平。SD卡轉換接口的設計關鍵是：(1)APB總線的并行數據要轉換成符合SPI協議規范的串行數據；(2)SD卡發送的串行數據轉換成APB總線能夠接收的并行數據；(3)產生正確采樣時鐘信號SCLK和片選信號CS。圖2所示為SD卡轉換接口模塊的框圖。

    片選信號由APB數據線的高位控制：當APB總線的高位輸出為低電平時，SS信號為低電平，SD卡被選中；當APB總線的高位輸出為高電平時，SS信號為高電平，SD卡不被選中。APB總線的高位數據產生是通過軟件編程實現。并串轉換器作用是：首先將APB總線輸出并行數據存儲到一組移位寄存器，然后移位寄存器的數據被移位成串行數據，串行轉換器就是并串轉換器反過程。采樣時鐘發生器作用是：采樣時鐘的上升沿應在每一位串行數據中央，以確保采樣時鐘能夠采樣到正確的數據。
    采用Verilog HDL硬件描述語言對SD卡轉換接口模塊進行設計，用modelsim6.1f 對該模塊在8086 CoC系統平臺進行仿真和調試。為了測試硬件接口，通過編寫基于8086CPU的匯編程序，使CPU執行相應的匯編指令對SD卡進行操作，實驗證明SD卡轉接口的數據端口信號的仿真波形滿足SPI協議規范。
2 SD卡的軟件編程及功能調試
    SD卡的配置、讀寫和擦除是通過主機給SD卡發送相應的執行命令，主機給SD卡發送命令通過軟件控制來實現。SD卡的所有命令都有固定的格式，由6個字節組成：起始位、傳輸位、命令索引、參數、CRC和結束位。表2所示為SD卡的命令格式。復位命令CMD0：起始位為0、傳輸位為1、命令索引為0、CRC為固定值1001010、結束位為1。即CMD0的格式為40H00H00H00H00H95H(H為16進制)。

2.1 SD卡的初始化
    本文設計了APB總線的SD卡硬件轉換接口，通過BIOS軟件編程實現訪問SD卡軟件。用軟件控制的方式給SD卡發送命令，使SD卡完成初始化。SD卡初始化有2個目的：使SD卡工作于SPI接口模式、設置單塊讀寫的數據長度。SD卡上電復位后處于SD總線模式，要使SD卡進入SPI接口模式，需要在片選信號CS為低電平時發送命令CMD0。由于SD卡在收到CMD0前處于SD總線模式，因此CMD0是唯一需要正確冗余校驗的命令。發送CMD0命令后，接收Rl回應，判斷SD卡是否正確接收命令。
    CMD0命令使SD卡進入休眠狀態，需要發送CMDl激活SD卡的初始化過程，隨后接收Rl回應，判斷SD卡是否正確脫離休眠狀態。
    為了實現對SD卡的讀寫操作，必須設定讀寫塊的大小。SD卡內部結構是按照每塊512字節組成的，可以對1塊或者是多塊進行讀寫，為了和8086CoC的硬盤結構一致，設定為單塊讀寫。給出內嵌在BIOS當中初始化的(基于Emu8086)匯編程序。
    ……
    // Initialize the SD card controller
       mov  al， 0ffh
       mov  dx， 0100h  ；選中SD卡接口
       mov  cx， 0ah    ；計數10次
    hd_post_init80:   ；循環10次給SD卡80個sclk， SD卡上電的過程至少要74個時鐘周期
       out  dx， al
       loop hd_post_init80
    // CMD0: reset the SD card
       mov  ax，40h ；命令CMD0，ax寄存器高位為0，所以CS=0，SD卡片選有效
       out  dx， ax
       xor  al， al   ；寄存器清0
       out  dx， al   ；發送CMD0其他位
       out  dx， al
       out  dx， al
       out  dx， al
       mov  al， 95h  ；
       out  dx， al     ； CRC fixed value
       mov  al， 0ffh                       
       out  dx， al     ； wait
       in   al， dx     ； status
       mov  cl， al
       mov  ax， 0ffffh
       out  dx， ax     ； CS=1
       cmp  cl， 01h  ；判斷響應是否為01h
       je   hd_post_cmd1  ；響應正確則發送CMD1，激活SD卡。
    ……
    當SD卡初始化完成以后，就可以對SD卡進行讀寫操作。讀SD卡的命令是CMD17；寫SD卡的命令是CMD24。這2個命令都帶有參數，參數是第8~39，共32位，參數表示的必須是SD卡扇區的首地址，讀寫SD卡以1個扇區512字節為數據單位(與硬盤相同)。
2.2 SD卡的調試
    采用SD卡作為8086 CoC的硬盤，而沒有采用固態硬盤，就是為簡化設計，避開設計復雜固態硬盤控制器。但用SD卡作為8086 CoC系統的硬盤，調試是實驗難點。因為SD卡是復雜存儲器，有自己的命令集，要找到SD卡的仿真模型幾乎不可能，而通過Verilog HDL硬件描述語言對SD卡的功能建立模型進行SD卡功能仿真，其復雜性將會更大。為了簡化設計，不采用通過SD卡模型在Modelsim中進行仿真，而是把設計直接綜合到FPGA板上進行板級仿真。根據實驗已有的條件，AlteraDE2開發板核心器件是Cyclone II系列的EP2C35F672C6[5]FPGA。用Quartus II將綜合8086 CoC生成的SOF文件通過JTAG電纜下載到DE2開發板上，把SD卡插入DE2開發板的SD卡插槽，進行SD卡的調試。
    為了測試SD卡能否接收到主機的數據，有效辦法是檢測SD卡對每條命令是否響應，達到命令響應將SD卡接口信號輸出到邏輯分析儀進行觀察的目的。但邏輯分析儀在使用觀察響應波形需要一些觸發條件(其觀察數據深度是有限的)，而SD卡接收和發送的數據是串行數據，因此要看到所有信號完整的波形是不可能的。為了解決這個問題，可采用軟硬件相結合的調試方法，即SD卡每條命令的響應可在軟件編程設計程序斷點辦法，如初始化程序中在CMD0命令的后面加上如下斷點程序。
       mov ax，0h                     
       mov ds，ax       ；目標基地址為0  
       mov bx，0500h    ；偏移地址             
       mov al，00h       ； al寄存器寫入0，可根據需要給al不同的值        
       mov ds:[bx]，al    ； 把al的值寫入地址為500h內存單元
    這樣就可以通過主機的地址(等于500h)作為邏輯分析儀的觸發條件。在每條命令中設置這樣的斷點，通過這些設置的斷點作為邏輯分析儀的觸發條件可以觀測每條命令發送情況。
    即使沒有邏輯分析儀，也可以通過斷點程序法在某一確定內存寫入一些特殊的值，然后同樣用Altera DE2開發板提供(DE2_contorl_panel)軟件把內存值讀出來與寫入的值進行比較。如果內存寫入的值與斷點程序寫入的值相同，則證明命令得到了正確響應。
    驗證完成SD卡初始化以后，就可以對SD卡進行讀寫。在寫SD卡調試中：設定寫命令的地址參數，在參數對應的地址單元向SD卡寫入一些特殊的值，然后通過WINHEX軟件去查看SD卡在該地址的數據是否與寫入的數據相同。在讀SD卡調試中：設定讀命令的地址參數，把SD卡的某一確定地址存儲單元的數據讀取到確定內存單元中，通過Altera DE2開發板提供軟件把該內存的數據讀出來與SD卡的原來存儲的數據進行比較。
    此調試法并不是一定要執行，當只有SD卡不能正常讀寫時，可以用此方法進行調試，分析每條命令的執行情況。實驗證明該方法非常有效，通過本設計提出的SD卡作為8086 CoC的硬盤設計取得了成功。圖3所示為SD卡轉換接口信號初始化過程中發送CMD0命令波形圖。

3 FPGA的驗證結果
    采用Quartus II對所設計的SD卡轉換接口在Cyclone II系列的EP2C35F672C6 FPGA進行綜合，綜合報告顯示總邏輯單元46個，總寄存器數30個，時鐘頻率高達420 MHz，綜合報告表明設計占用的邏輯資源非常少。FPGA驗證顯示把8086 CoC的BIOS軟件存入SD卡硬盤，通過SD卡作為引導區可啟動8086 CoC的DOS操作系統。
    本文以SD卡作為8086CoC的硬盤設計為例，介紹了SD卡作為大容量存儲器的設計方法。采用SD卡作為大容量存儲器可以減少設計的復雜性、縮短設計周期。并且由于SD卡的許多優點可使得系統工作穩定、提高數據存儲的安全性。雖然SD卡本身的數據傳輸速率有上限，數據的讀寫速度受到一定的限制，但這些可以通過更高讀寫速度的SD卡來解決。同時，本設計具有高可移植性，可以方便地移植到其他需要大容量存儲器的嵌入式系統中，只需在軟件操作系統嵌入關于訪問SD卡的軟件程序，無需修改已設計好的硬件電路，減少了電路設計的成本。
參考文獻    
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[2] STEVENS C E. At attachment 8-ATA/ATAPI command set[S]. 2008.
[3] KANG J D， KIM J S， PARK C， et al. A multi-channel architecture for high-performance NAND flash-based storage system[J]. Journal of Systems Architecture. 2007，53(9):644-658.
[4] SD memory card specifications part1[S]. Physical Layer Specification Version 1.0. March 2000.
[5] Altera Corporation. Cyclone device handbook Vol. II[S]. 2003.