Nios系統(tǒng)基礎(chǔ)上的Ultra DMA數(shù)據(jù)傳輸模式

1、nios系統(tǒng)基礎(chǔ)上的ultra dma數(shù)據(jù)傳輸模式隨著消費(fèi)類，如mp3、3g手機(jī)、視頻終端以及寬帶無線網(wǎng)絡(luò)的普及，對(duì)大容量存儲(chǔ)設(shè)備的需求越來越劇烈。傳統(tǒng)的sram、sdram以及ddr sdram等存儲(chǔ)設(shè)備的價(jià)格與容量比，遠(yuǎn)遠(yuǎn)比硬盤高；光存儲(chǔ)設(shè)備雖然越發(fā)便宜，但是在便攜性上卻遠(yuǎn)遜于硬盤解決計(jì)劃?，F(xiàn)在硬盤廠商提供了各種適用于不同用途的便宜海量存儲(chǔ)設(shè)備，如1 in(英寸)的微硬盤可以應(yīng)用于各種小巧的便攜設(shè)備中，25in硬盤可以應(yīng)用于筆記本和移動(dòng)存儲(chǔ)中，35in硬盤可以應(yīng)用于個(gè)人pc和工業(yè)中等等。目前，硬盤支持的最為廣泛的ide接口協(xié)議中，規(guī)定了pio、dma以及ultra dma三種數(shù)據(jù)傳輸模式，

2、其傳輸速率pio多字dmaultra dma，如表1所列。隨著各種多媒體應(yīng)用的廣泛普及，各種設(shè)備不但要求擁有海量存儲(chǔ)能力，在完成各種實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸速率也提出了嚴(yán)格的要求?，F(xiàn)階段的設(shè)計(jì)討論主要集中于單邊沿鎖存數(shù)據(jù)的pio和dma傳輸模式。大多數(shù)設(shè)計(jì)主要用pio模式完成控制指令的寫入和讀取操作，采納dma數(shù)據(jù)傳輸模式舉行挺直內(nèi)存讀取操作，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?。假如在相同系統(tǒng)中用法ultra dma數(shù)據(jù)傳輸模式，則可以在不提高系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率提高l倍，極大地充實(shí)了系統(tǒng)性能，而不需要付出更多的硬件資源。因而硬盤的ultra dma數(shù)據(jù)傳輸方式在工業(yè)自動(dòng)化、internet

3、網(wǎng)絡(luò)、消費(fèi)類電子和各種系統(tǒng)中的需求會(huì)不斷增強(qiáng)，有著很好的商業(yè)前景。1 nios系統(tǒng)介紹該設(shè)計(jì)是在公司推出的nios嵌入式系統(tǒng)的平臺(tái)上，設(shè)計(jì)可以通過ultra dma數(shù)據(jù)傳輸方式舉行高速硬盤讀寫的接口模塊，并開發(fā)出相應(yīng)的ip核。1.1 nios系統(tǒng)結(jié)構(gòu)nios嵌入式處理器系統(tǒng)通常由n1os處理器、avalon交換結(jié)構(gòu)和各種外圍設(shè)備(存儲(chǔ)、接口及功能模塊)的ip核三部分構(gòu)成。altera的sopc builder系統(tǒng)開發(fā)工具可以自動(dòng)生成這些組件以及銜接它們的總線。nios處理器是32位結(jié)構(gòu)可配置并包含五級(jí)流水線的通用risc微處理器，采納改進(jìn)的哈佛存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)；處理器帶有分別的數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器總線控

4、制，具備高速緩存、中斷處理功能。與傳統(tǒng)處理器相比，nios命令系統(tǒng)可通過自定義命令和標(biāo)準(zhǔn)處理器選項(xiàng)，利用硬件來顯然提高系統(tǒng)性能。avalon交換結(jié)構(gòu)總線是altera開發(fā)的用于nios嵌入式處理器的參數(shù)化接口總線，由l組預(yù)定義的信號(hào)組成，用這些信號(hào)可以銜接1個(gè)或多個(gè)ip模塊。altera的s0pc builder系統(tǒng)開發(fā)工具自動(dòng)地產(chǎn)生avalon交換結(jié)構(gòu)總線規(guī)律，其實(shí)現(xiàn)只需要極少的資源，提供徹低同步的操作。nios嵌入式處理器系統(tǒng)中的各種存儲(chǔ)模塊、接口模塊和功能模塊等都在altera的標(biāo)準(zhǔn)外圍設(shè)備庫中以ip核的方式提供用法，或是由用戶自行設(shè)計(jì)添加到庫中，以ip模塊的方式在系統(tǒng)中復(fù)用。實(shí)現(xiàn)硬盤高

5、速拜訪功能模塊的設(shè)計(jì)，事實(shí)上是在設(shè)計(jì)一個(gè)完整的ip模塊，再在altera提供的sopc builder開發(fā)環(huán)境的設(shè)備庫中集成該ip核，以達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。1.2采納nlos軟核處理器構(gòu)建系統(tǒng)的緣由與其他的實(shí)現(xiàn)方式相比有著更好的性能價(jià)格比。最頻繁的硬盤讀取控制和數(shù)據(jù)傳輸方式是通過或是來實(shí)現(xiàn)的，用法單片機(jī)或dsp中的pio接口可以很便利地完成單邊沿鎖存數(shù)據(jù)的硬盤pio和dma數(shù)據(jù)傳輸方式，但在實(shí)現(xiàn)雙邊沿鎖存數(shù)據(jù)的ultra dma傳輸方式時(shí)，必需在單片機(jī)和dsp芯片外添加額外的fpga芯片，完成ultra dma雙邊沿鎖存數(shù)據(jù)到單邊沿鎖存數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成本和復(fù)雜性。而采納nios軟核處

6、理器完成與硬盤的ultra dma傳輸方式時(shí)，不需要添加任何額外的芯片，僅用法fpga內(nèi)的其他資源就可以便利地實(shí)現(xiàn)雙邊沿到單邊沿的轉(zhuǎn)換工作。與傳統(tǒng)的單片機(jī)或dsp實(shí)現(xiàn)方式相比，nios嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)越發(fā)容易。從性能上來說，nios軟核處理器與、intel等的cpu處于同一級(jí)別，都能夠滿足設(shè)計(jì)的需要，即使是復(fù)雜規(guī)律系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也可以在一片cyclone或是stratix芯片上實(shí)現(xiàn)所有功能。而且通過用法altera公司提供的sopc builder開發(fā)工具，在ip復(fù)用的基礎(chǔ)上可以迅速開發(fā)出完整的系統(tǒng)解決計(jì)劃。與傳統(tǒng)的單片機(jī)或dsp實(shí)現(xiàn)方式相比，nios嵌入式系統(tǒng)的可擴(kuò)展性更好。單片機(jī)或dsp

7、內(nèi)的資源是硬件廠商固化在芯片內(nèi)的，用戶不行能自行添加或刪減，在設(shè)計(jì)時(shí)的靈便性受到器件本身的限制；而nios軟核處理器的全部資源都可以隨意地添加或刪減，只需終于通過電纜下載到fpga芯片內(nèi)就可定制出囫圇系統(tǒng)的功能。因而在基于nios的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過對(duì)設(shè)計(jì)文件的修改就可以很便利地舉行系統(tǒng)功能的擴(kuò)展。2 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)硬件部分由nios嵌入式系統(tǒng)、nios與硬盤的接口模塊和其他外圍接口三部分組成，1所示。其中設(shè)計(jì)的核心部分是nios系統(tǒng)與硬盤接口模塊的ip核設(shè)計(jì)，主要完成數(shù)據(jù)傳輸模式的轉(zhuǎn)換，以及對(duì)硬盤的控制與操作兩部分任務(wù)。nios嵌入式處理器系統(tǒng)的任務(wù)是舉行整體控制與協(xié)調(diào)，并對(duì)數(shù)據(jù)舉行處理和暫存

8、；外圍接口電路主要用來擴(kuò)充系統(tǒng)的功能，擴(kuò)大系統(tǒng)的適用范圍。nios嵌入式處理器系統(tǒng)由nios嵌入式處理器、dma控制器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)sdram、程序存儲(chǔ)區(qū)f1ash和avalon總線構(gòu)成。其中dma控制器用于實(shí)現(xiàn)兩個(gè)存儲(chǔ)器之間，或者存儲(chǔ)器和外設(shè)之間，或者是兩個(gè)外設(shè)之間的挺直數(shù)據(jù)傳輸。dma模塊用于銜接支持流模式傳輸?shù)耐庠O(shè)，并允許定長或變長的數(shù)據(jù)傳輸，而不需要cpu的干涉。在ultra dma數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，可以一次性傳輸最多256個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)，所以在系統(tǒng)中用法dma控制器可以便利地在硬盤與系統(tǒng)中各種支持流傳輸模式的設(shè)備之間建立直通銜接，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸效率。外圍接口電路主要用于系統(tǒng)功能的擴(kuò)充

9、，如internet接口可以使系統(tǒng)便利地接人到網(wǎng)絡(luò)中提供諸如音樂或視頻下載、信息分享等服務(wù)；串口用于與計(jì)算機(jī)或其他設(shè)備的互連；vga接口用于視頻信號(hào)的輸出，在系統(tǒng)外部顯示圖像等等。硬盤接口部分主要由接口控制規(guī)律、avalon總線接口、fifo和硬盤ide接口4部分組成。其中接口控制規(guī)律部分用于對(duì)nios處理器的命令舉行譯碼并執(zhí)行相應(yīng)的操作，控制ultra dma傳輸時(shí)的握手和控制信號(hào)的產(chǎn)生，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸過程中ide接口的硬盤數(shù)據(jù)速率同avalon總線接口速率的匹配。fifo用于數(shù)據(jù)的緩沖，解決avalon總線和ide接口之間的數(shù)據(jù)速率不匹配問題。在設(shè)計(jì)中需要對(duì)硬盤ultradma的六種數(shù)據(jù)傳輸

10、模式同時(shí)提供支持，而其傳輸速率卻徹低不同，必需添加緩沖區(qū)用于數(shù)據(jù)的暫存。avalon總線接口用于與nios處理器系統(tǒng)相連，傳輸nios處理器的命令給控制規(guī)律部分，以及與系統(tǒng)中的其他部分在dma控制器的協(xié)調(diào)下完成數(shù)據(jù)的傳輸。硬盤ide接口部分除輸出控制信號(hào)并對(duì)硬盤返回的信號(hào)做出響應(yīng)外，還要完成單邊沿?cái)?shù)據(jù)鎖存模式與雙邊沿?cái)?shù)據(jù)鎖存模式互相轉(zhuǎn)換的任務(wù)，2、圖3所示。因?yàn)閚ios系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，都用法時(shí)鐘升高沿來鎖存數(shù)據(jù)；而ide總線上傳輸?shù)膗ltra dma數(shù)據(jù)，在clock信號(hào)的升高沿和下降沿都有數(shù)據(jù)需要鎖存。因而硬盤接口部分兩側(cè)的數(shù)據(jù)，在傳輸時(shí)工作模式各不相同，需要舉行須要的緩沖和模式轉(zhuǎn)換。數(shù)

11、據(jù)鎖存模式轉(zhuǎn)換模塊，用于在ide總線上雙邊沿鎖存數(shù)據(jù)和系統(tǒng)內(nèi)部單邊沿鎖存數(shù)據(jù)之間舉行鎖存模式的轉(zhuǎn)換，這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心問題之一。詳細(xì)來說，就是在讀取硬盤數(shù)據(jù)時(shí)需要將ide總線上傳輸?shù)碾p邊沿鎖存數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)部用法的單邊沿鎖存數(shù)據(jù)；在寫硬盤操作時(shí)完成相反的任務(wù)。在設(shè)計(jì)時(shí)采納兩組寄存器對(duì)不同時(shí)鐘沿的信號(hào)舉行鎖存，在時(shí)鐘頻率不變的基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)帶寬的擴(kuò)展，完成雙邊沿到單邊沿的轉(zhuǎn)換功能；在單邊沿?cái)?shù)據(jù)到雙邊沿?cái)?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程中，采納相反的構(gòu)架。3 系統(tǒng)工作流程系統(tǒng)在完成基于ultra dma的數(shù)據(jù)傳輸模式的硬盤拜訪功能時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)硬盤數(shù)據(jù)通過ultra i)ma模式舉行的讀操作和寫操作。其詳細(xì)的工作

12、流程各不相同，主要區(qū)分在于：nios系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)調(diào)過程。作為系統(tǒng)處理核心的nios處理器，必需向硬盤接口規(guī)律和dma控制器中發(fā)送命令，使其根據(jù)設(shè)計(jì)要求執(zhí)行相應(yīng)的操作。向硬盤接口規(guī)律部分發(fā)送讀寫硬盤的命令時(shí)，需要首先指令讀操作時(shí)用法fifo對(duì)硬盤數(shù)據(jù)舉行緩沖，在寫操作時(shí)將fifo中的緩沖數(shù)據(jù)發(fā)送到硬盤中完成寫入操作；向dma控制器部分發(fā)送命令，協(xié)調(diào)接口緩沖區(qū)fifo和系統(tǒng)內(nèi)存sdram中數(shù)據(jù)的交互過程，以完成對(duì)硬盤的讀寫操作。對(duì)硬盤的讀寫拜訪操作。在對(duì)硬盤舉行讀寫操作時(shí)，必需向硬盤的接口寄存器中發(fā)送dma讀命令或?qū)懨?，其命令碼和操作挨次也不盡相同，4、圖5所示。4 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)在nios s

13、dk shell環(huán)境下，用法帶monitor的bootloader程序，可以在程序debug的同時(shí)監(jiān)控內(nèi)部存儲(chǔ)器的變幻，便于硬件設(shè)計(jì)的檢查和程序的調(diào)試。軟件的編寫主要采納，部分嵌入了匯編語言。囫圇系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)是以下兩部分。(1)nios系統(tǒng)內(nèi)dma控制器的編程在dma傳輸過程中需要完成的操作有：配置dma控制器；軟件啟動(dòng)dma外設(shè)，開頭dma傳輸；dma控制器的主設(shè)備讀端口從目標(biāo)地址讀取數(shù)據(jù)，主設(shè)備寫端口向目標(biāo)地址寫入數(shù)據(jù)；dma傳輸結(jié)束。這一過程中，需要向dma控制器的寄存器中寫入控制命令來開啟一次數(shù)據(jù)傳輸過程。要求初始化的寄存器有：status、readaddress、wi rte

14、jddress、length和contiol。之后調(diào)用系統(tǒng)提供的dma子程序開啟一次dma操作，用法的dma子程序有：nr_dma_opy_1_to_rarlge(在原地址和目標(biāo)地址之間，傳輸length長度的數(shù)據(jù)，原地址固定，而目標(biāo)地址在每次傳輸后增強(qiáng))，用于完成數(shù)據(jù)讀取操作時(shí)，從fifo緩沖區(qū)中向sdram里傳輸數(shù)據(jù)；nr_dma_copy_range_to_l(在原地址和目標(biāo)地址之間，傳輸lengt長度的數(shù)據(jù)，目標(biāo)地址固定，而原地址在每次傳輸后增強(qiáng))，用于完成數(shù)據(jù)寫操作時(shí)，從sdram里向fifo中緩沖數(shù)據(jù)。(2)硬盤的dma讀寫指令在對(duì)硬盤舉行讀寫操作時(shí)須向硬盤的寄存器內(nèi)寫入dma讀命令(或?qū)懨?和相應(yīng)參數(shù)后才可對(duì)硬盤中的數(shù)據(jù)舉行拜訪。在atapi 協(xié)議中規(guī)定了read dma命令和write dma命令的指令格式，需要向sectorcbunt、sectornulmber、cyclindelow、cyblindelrhigh、devicehead、command寄存器中寫入?yún)?shù)和指令代碼。其中讀命令的代碼是c8h、寫命令的代碼是cah。在寫入指令后就可以