用SD卡設計8086全硅計算機的硬盤
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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)。
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