TMS320F240的IDE接口仿真器设计
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关键词：仿真器 监控程序 硬件调试 IDE接口
随着航空电子系统数字化的发展，机载嵌入式计算机逐步摆脱了“纯粹嵌入”时代，开始以主要控制角色而显露头脚。其存储系统也和地面计算机系统一样，提出了“海量存储”的要求。借鉴和使用IDE接品时一条重要途径。但在调试时一般缺乏IDE接口主方（Host）控制器。PC机虽然带有两个标准的集成在主板上的IDE接口，但在目前的Widows系统下却是透明的，无法在硬件调试级进行控制驱动。“工欲善其事，必先利其器”。为解决调试工具，笔者在此前自己动手，设计了一个IDE接口仿真器。硬件极其简练实用，软件精巧灵活。介绍出来，与大家切磋。
1 仿真器硬件设计
众所周知，IDE/ATA接口是16位总线，映像在主机的I/O空间，由主机对接口内的2组寄存器操作来完成“海量存储”。这些寄存器仅由2根片选（CS1FX、CS3FX）和3根地址线（A2、A1、A0）寻址。仿真器硬件只要能在监控程序的控制下产生对应控制信号，便能真实地仿真IDE调试所需的环境。需要仿真处理的主要信号如表1所列。信号方向以仿真器为参照，输出（Output）方向由仿真器驱动，输入（Input）信号由IDE设备驱动。
表1 主要仿真处理的信号
| 信号名 | 方 向 | 有效电平 | 功 能 |
| HDRST | O（输出） | L（低） | 复位IDE设备 |
| CS1FX | O（输出） | L（低） | 第一组寄存器片选 |
| CS3FX | O（输出） | L（低） | 第二组寄存器片选 |
| A2～A0 | O（输出） | 组合值 | 接口内寄存器偏移地址 |
| IOR | O（输出） | L（低） | 寄存器读信号 |
| IOW | O（输出） | L（低） | 寄存器写信号 |
| D15D0 | I/O（双向） | 组合值 | 数据总线，写时由仿真器驱动，读时由IDE设备驱动 |
| DRQ | I（输入） | H（高） | DMA请求 |
| IRQ | I（输入） | H（高） | 中断请求 |
IDE接口的读写时序和一般CPU外设时序波形相似，其读取周期为70ns，具体波形不再给出。使用TI公司的TMS320F240（以下简称F240）可以方便地仿真出IDE的时序波形。只要使用外部READY信号，把I/O周期延长到70ns以上，就可以保证仿真数据读写可靠。以F240为核心，仿真器硬件设计真数据读写可靠。以F240为核心，仿真器硬件设计就非常简练。其全部硬件电路如图1、图2和图3所示。除去初期调试和驱动芯片外，整个核心就是F240和GAL16V8，已经仿真全部的IDE时序波形，图1是仿真器自身调试仿真监控程序时电路。使用2片CY7C199,组成32K×16位的片外RAM程序存储器空间。当程序调试完成后，断开H1，将监控程序通过JTAG口直接烧入F240，就可以拔去2片外部程序存储器CY7C199。
图1 调试时的程序存储器配置
当仿真监控程序调试完成后，正式定型的仿真核心电路如图2所示。电路设计总的原则是简练实用，所以复位采用普通的RC电路，外加手工复位开关SW保证仿真器自身复位；利用RS232和主机之间通信，减少硬件额外开销；IDE接口的中断请求HIRQ直接接F240的外部中断XINT1（因为HIRQ高电平有效，所以将蓁不用的外部断XINT2等接地，保证蓁中断源不产生中断请求，减少软件中断响应多重判断环节）；将F240的PB端口设置为输出端口，DMA请求HDRQ接到PB端口的最低位PB0，可以直接由硬件检测DRQ状态即可，并不真正需要DMA控制器；将F240的PC端口设置为输出端品，最高位PC7为复位IDE端口信号，当该位设置为0（低电平）时，产生复位IDE设备信号HDRST，该位设置为1时结束复位。其复位时间可由软件控制。IDE设备的寄存器映像在F240的I/O空间从0000H开始的16位地址。外部I/O只有IDE接口，不必采用全译码，直接由I/O片选IS和地址A3区分产生CFIFX和CS3FX即可。接口内偏移地址直接由A2～A0提供。F240的写信号WR可以直接作为接口写信号。但是F240的读信号是状态信号，在连续读操作中保持低电平，并无上升沿，所以需要专门产生读信号。PC主机通过串口和仿真器通信，监控仿真器，从而驱动调试的IDE设备。仿真器和IDE设备通过标准的硬盘电缆连接。为提高信号的抗干扰能力，这些信号经过总线驱动器驱动。图3是驱动和接口电路。
数据通路用16路驱动的IDT74LS16245实现，开门信号直接由I/O片选信号IS控制，方向端由写信号WR控制。而单向提供给IDE设备的其它信号，都经过54F244驱动。所有控制信号由GAL16V8实现。以下是其控制逻辑代码，信号名称和功能可参见图2。
图2 核心仿真控制电路
……
EQUATIONS
！HRST=!POR#!HRST;//RC上电复位和F240设置复位都产生IDE复位
！CS1FX=!IS&！A3； //A3=0；产生第一组寄存器片选CS1FX=!IS & A3； //A3=1：产生第二组寄存器片选CS3FX
！IOR=!IS & !RD; //*专门产生寄存器读信号.
[Q1,Q0].CLK=CPUCLK;
[Q1,Q0].OE=!OE;
[Q1,Q0].AR=!POR; //复位
//==============================================
//F240系统控制状态机
//时钟20MHz，每一拍50ns
//程序存储器CY7C199读写周期≤35ns，无需等待
//IDE接口寄存器读写周期≥70ns，等待2拍
//===============================================
State_Diagram [Q1,Q0];
State S0: //空闲状态
READY=H; //支持CY7C199访问
if(!IS)then //要访问IDE接口寄存器
S1 with {READY240=L;}
State S1: //开始等待
READY240=L；
Goto S2;
State S2:
READY240=L;
Goto S3;
State3: //时间到
READY240=H；
Goto S0; //F240对READY信号只采样一次
END
仿真硬件的核心只有1片F240和1片GAL16V8。
图3 驱动与接口电路
2 仿真器监控软件设计
软件设计包括驻留F240的监控程序和PC宿主机的监控程序，两者之间通过串口配合工作。这当然降低了IDE接口的数据吞吐率，但在逻辑仿真调试时不是主要焦点。为简约起见，避免复杂的词法分析，主从之间采用单字符监控命令。其串口监控命令通信帧定义如下：
| 0 | 1 | 2…n-2 | n-1 |
| 帧标志（AAH） | 命令字符（Cmd） | 参数项 | 校验和CheckSum |
其校验和为前n-1个字节代数和的补码，即
CheckSum=-∑Bi(i=0,1…n-1)
下面介绍几个主要命令和程序实现方法，其中寄存器名称和地址可参考图4界面。
（1）1命令：读IDE寄存器
当监控程序识别出1命令后，根据参数提供的寄存器索引，映射为对应的I/O地址。F240的输入/输出命令与x86系列不同，它在指令中必须直接给出地址。
…
LACC Reg
BZ IsDatReg ;0号索引，即读数据寄存器
SUB #1
BZ IsError ;/*号索引，即读错误类型寄存器
…
BZ IsAltReg ;8号索引，即读后备状态寄存器
SUB #1
BZ IsDrvAddrReg ;9号索引，即读驱动器地址寄存器
…
IsDatReg
IN Value,DatReg ;读数据寄存器
RET
IsAltReg：
IN Value,DevAddrReg;读驱动器地址寄存器
RET
当I命令执行完毕后，应该将寄存器读入值回送PC主机。
（2）0命令:写IDE寄存器
寄存器输出命令参数需要提供寄存器索引和映射为对应的I/O地址。
（3）H命令：硬件复位IDE设备
硬件复位时应将F240的IOPC7引脚设置为低电平10ms以上。
LDP #00E1h ;DP=00E1H:708H～70FFH的页址
LACL #8000H ；D15=1：IOPC7：作输出
D7=0；设置IOPC7=0
SACL PCDATDIR ；写PC端口，设置HRST信号为低电平
CALL Delay 10ms ；保持复位信号10ms的低电平
LACL #8080H ；D15=1：IOPC7：作输出
；D7=1：设置IOPC7=1
SACL PCDATDIR ；恢复HRST信号为高电平
类似地，监测DMA请求HDRQ状态时，可以设置端为输入属性，然后读入IOPB0。监测中断请求HIRQ时，可以直接读XINT1状态，即读7070H处的XINT1CR寄存器。
（4）S命令：软件复位IDE设备
软件复位时可以向IDE接口的DevCtrlReg（设备控制寄存器）写入适当值实现。
LDP #0 ;指向.bss变量区
SPLK=#000EH,Value ;D2=SW Rst=1:软件强制复位
；D1=/IEn=1:禁止IDE发中断
OUT Value,DevCtrlReg ;复位IDE设备
CALL Delay 10ms ；保持复位状态10ms
SPLK #000AH,Value ;D2=SW Rst=0：结束复位状态
OUT Value,DevCtrlReg
CALL Delay 10ms
SPLK #000EH,Value ;D6=LBA=1:采用逻辑块寻址模式
OUT Value,DrvHeadReg ;设置驱动器寄存器
（5）C命令：读取IDE设备ID号和相关配置
IDE设备内的相关配置对其它操作影响较大，主机应该掌握这些参数。诸如柱面数、磁头数、每个磁道的扇区数以及最大扇区号等。这段程序稍微复杂一些。
CALL WaitRDY ;读状态寄存器，等待D6=1，亦即IDE设备完成上次命令
SPLK#000EH,Value
OUT Value,DrvHeadReg ;选择主从驱动器
SPLK #00ECH，Value
OUT Value,CmdReg ；发命令，读取配置参数
CALL WaitDRQ ；读状态寄存器，等待D6=1并且D3=1，亦即RDY并发出DRQ请求
MAR *，AR1 ；AR1：当前辅助寄存器
LAR AR1，#BufSADDR ;AR1→扇区缓冲区开始地址
RPT #0FFh ；循环次数=FFH+1=256
IN *+,DatReg ；读入配置数据
读出配置参数后，再把它送给PC机的监控程序，从中再细分出具体参数。
类似地，读一个扇区或写一个扇区的命令与这个命令相似。只是在发命令前应该设置柱面扇区等寄存器定位到具体的扇区。
（6）PC宿主机监控程序功能
PC宿主机监控程序主要通过串口监控仿真器。在底层通信中，应该为每一个监控命令建立对应函数。在应用层，可以将几个简单命令有机组合，完成复杂功能，减小仿真器驻留监控难度。例如，在读取配置参数命令中，分解缓冲数据。在读写扇区命令中，将LBA逻辑扇区地址分解成驱动器号、扇区号、柱面号等。
重要的是为用户提供一个Windows环境下特别容易操作的接口界面，贴近硬件调试，产生所需信号波形，用示波器捕获分析。图4是宿主机的一个界面，具体方法细节不再讨论。
结语
随着航空电子新系统研制的智能化和接口标准化，硬件调试对仿真设备和环境要求也越来越高。鉴于成本和上市时间的限制，采用嵌入式CPU研制一些简单实用的仿真设备，是解决矛盾的一条重要途径。本文所介绍的IDE接口仿真器硬件简练、软件精巧，在多个型号的Flash Disk研制中发挥了重要作用。
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