机载电子盘设计
摘要：本文介绍了机载电子盘的硬件设计、调试和软件测试方法。该系统满足了机载航空图数据处理量大、吞吐率高、环境恶劣的环境要求，在嵌入式电子盘设计中具有典型性和实用性。内容充实，信息量大，工程实践性强。
关键词：电子盘；与非阵列；IDE接口；写保护
中美撞机，勇士入海，“浪花与泪花齐飞，海水共长天黯色”。从此，制造新一代功能强大的、能及时搜索、导航和定位的营救机，成为国人注目的大事。这不仅需要功能强大的搜索雷达，同时需要功能强大的处理定位计算机。采用电子航空图和多普勒雷达、GPS及惯导组成综合导航系统就是增强营救机功能的重要举措。在航空图上能够对导航参数形象直观、及时准确的换算定位，将飞行员从繁多的、令人头疼的导航仪表和枯燥的需大量记忆的数据中彻底解放出来。但是通常的机载计算机只配有小容量存储器，采用诸如VxWorks等字符操作系统，无法显示和处理全国范围的小比例尺的航空地图。显示和处理大数据量的共同瓶颈在于没有适合机载的硬盘，无法采用图形操作系统和存贮大容量数据。本文介绍我们在解决这一问题的一些做法，与大家切磋。
一 IDE接口概述
目前硬盘接口以IDE(Intelligent Device Electronics)为主，又称ATA(AT-Attachment)接口。其主要特点是把原来ST-506接口的控制器部分移到驱动器中去，使得主机的IDE适配电路并不包括硬盘控制器，扩大了适应性，亦可连接CD-ROM等设备。IDE接口一般采用40线转插，信号名称和位置可参考图4的电路，它是16-Bit总线。表1是接口内部寄存器分配。
表1 IDE接口内部寄存器映象
|
/CS3FX |
/CS1FX |
A2 A1 A0 |
寄 存 器 | |
|
读操作 (/IOR=0, /IOW=1) |
写操作 (/IOR=1, /IOW=0) | |||
|
1 |
0 |
0 0 0 |
数据 (读) |
数据 (写) |
|
1 |
0 |
0 0 1 |
错误 (Error) |
特征 (Feature) |
|
1 |
0 |
0 1 0 |
扇区数 (Sector Count) |
扇区数 (Sector Count) |
|
1 |
0 |
0 1 1 |
扇区号 (Sector Number) (LBA7-0) |
扇区号 (Sector Number) (LBA7-0) |
|
1 |
0 |
1 0 0 |
柱面低(Cylinder Low) (LBA15-8) |
柱面低(Cylinder Low) (LBA15-8) |
|
1 |
0 |
1 0 1 |
柱面高(Cylinder Hight) (LBA23-16) |
柱面高(Cylinder Hight) (LBA23-16) |
|
1 |
0 |
1 1 0 |
驱动器/磁头 (Drive/Head) |
驱动器/磁头 (Drive/Head) |
|
1 |
0 |
1 1 1 |
状态 (Status) |
命令 (Command) |
|
0 |
1 |
1 1 0 |
后备状态 (Alternate Status) |
设备控制 (Device Control) |
|
0 |
1 |
1 1 1 |
驱动地址 (Drive Address) |
保留 (Reserved) |
在PC机中IDE接口作为I/O外设处理，一般有2个IDE接口。主要片选信号线/CS1FX、/CS3FX对应的译码地址如表2所示，表中同时给出了IRQ资源占用。/CS1FX有效(低电平)时选择命令寄存器，/CS3FX有效时选择控制寄存器。IDE接口对硬盘有两种操作方式。一是物理寻址(CHS-Cylinder/Head/Sector)模式，即主机应该具体给出要读写的柱面/磁头/扇区，另一是逻辑块寻址(LBA-Logical Block Address)模式。在LBA模式下，将所有扇区按照柱面优先的原则编号，组成线性扇区地址。由IDE控制器把逻辑扇区号译码为对应的CHS后再操作。一个逻辑块容量等同一个物理扇区，亦即512字节。在机械式磁盘结构时，LBA模式可使连续扇区操作节省磁头移动定位时间。软件采用LBA模式操作，可以简化管理算法。
表2 IDE接口I/O地址范围及资源分配
|
|
/CS1FX |
/CS3FX |
中断请求 |
DMA请求 |
|
第一IDE接口 |
1F0H—1F7H |
3F0H—3F7H |
IRQ14 |
DRQ3 |
|
第二IDE接口 |
170H—177H |
370H—377H |
IRQ15 |
DRQ4 |
二 IDE控制器SST55LD017
实现IDE接口的办法有多种，世界著名的电子盘生产商BiTMCRO生产的电子盘内嵌入了PowerPC 403来组成控制器，这种办法需要为PowerPC写一些软件，速度较慢。SST公司最近推出的SST55LD017是比较理想的Flash盘的IDE接口控制器，图1是它的功能框图。电路简单、速度快、可靠性高是专用IDE控制器的优点。
从图中可以看出，它里面包含了一个微控制器和嵌入的Flash文件管理系统。控制器和主机的接口允许数据写入Flash介质以及从Flash介质读出。MCU负责把IDE命令转换成Flash介质操作所需的数据和控制信号。SRAM缓冲极大地优化了主机和Flash介质之间的数据传输。内部DMA直接把缓冲数据传输到Flash介质，越过MCU，提高数据吞吐率。嵌入式Flash文件系统为基于文件的操作系统提供了方便。多任务接口可以对多个Flash介质器件进行读、编程和擦除操作。SCI接口用于重新进行芯片初始化过程和配置ID号，为硬件调试提供方便。对于具体的管脚定义可以参考后面图5的逻辑电路。
三 与非阵列Flash存储介质
机载硬盘不能使用通常的机械式磁头和磁介质，必须用E2PROM来存储。电子盘只要满足IDE接口格式，读写操作对操作系统是透明的。东芝的TH58100是128M x 8Bit的E2PROM，比较适合做电子盘的存储介质，图2是它的功能框图。
TH58100使用+3.3V电压，其与非阵列安排为 528字节 x 32 页 x 8192块。它里面有一个528字节的静态寄存器，允许编程数据和读出数据在寄存器和存储阵列之间以528字节为单位传输。IO1—IO8管脚既是地址线，又是双向数据线，同时承担命令输入。发出命令后，擦除操作和编程(写入)自动进行。具体管脚可参考图5的电路。
四 电子盘设计
“手中有粮，心里不慌”。掌握了IDE控制器和Flash介质，设计电子盘就很容易。设计时要考虑机载的电磁环境比较恶劣、机械振动要求较高这一特点。下面从三个方面介绍设计的主要部分。
4.1 电源与复位
Flash介质只使用+3.3V电源，而IDE控制器同时使用+5V和+3.3V，但PC机及扩展的EIDE接口都仅使用+5V电源。为了和PC兼容，电源一方面来自机载系统，另一方面仍可从PC标准电源传入，VCC = +5V。如图3所示，XS就是PC电源标准接口。使用DC/DC电压转换器，将+5V电压转换为+3.3V，满足IDE控制器和Flash介质需要。机载环境下外供电源极不稳定，经常有长达20ms的瞬间掉电。为保证上电/掉电时可靠复位，不要采用普通的RC复位电路，图中使用MAX703实现可靠复位。上电复位信号/POR接图5的D1.24管脚，使上电和下电瞬间，IDE处于确定的复位状态，拒绝接收主机的误操作命令，避免对Flash介质进行误操作。D2.6腿是手工复位输入信号/RSTHD，允许调试过程随时复位。图3中的WP_PD# 信号接至图5的D1.62管脚，是写保护跳线。
4.2 IDE接口设计
在设计时，既在逻辑上实现了IDE接口，将有关信号嵌入系统总线，又在物理上直接使用了标准的IDE-40芯插座，可以直接连接到PC机硬盘连线，方便软件开发。其设计如图4所示。为保证上电时DMA请求DRQ处于低电平，避免主机错误响应，应该使用5.6K电阻下拉。同样，IORDY使用1K电阻上拉。S2跳线用来进行主盘(Master)和从盘(Slave)设置，断开时将IDE接口设置为从盘，短接时设置为主盘。在复杂电磁环境下，还应该给DRQ串联33Ω的端电阻，给IORDY串联82Ω的端电阻。根据ATA-4规范，应该给数据线HD7下拉10K电阻，使主机能够迅速识别是否安装硬盘。这些措施在图4中并没有体现出来，在工程实践时要特别注意是否采用。
4.3 控制器设计
控制器主设计如图5所示。LD017控制器一边负责IDE接口，一边负责对TH58100存储介质进行读写操作。上电复位信号/POR来自图3的MAX703输出，普通复位/HDRST来自主机IDE接口，同时允许软件复位。主从选择线CSEL在芯片内部已上拉，悬空时做从盘(Slave)，接地时做主盘(Master)。当主从盘同时存在时，要将主从盘的诊断信号/PDIAG连在一起。
控制器和存储介质之间有/FCE0--/FCE4五根片选线，可以组成5 x 128MB容量的电子盘。地址、数据和命令复用线FAD7—FAD0，操作时由FALE和FCLE锁存信号区分。其中FALE是地址锁存使能，FCLE是命令锁存使能。图5中的SCI接口(S2)只是示意性质，具体可参考图7电路。
当控制器对存储介质读写时，由操作准备好信号FRDY应答。当该信号为低时表示忙。这个信号是集电极开路(OC)结构，必须有上拉电阻。其阻值可根据信号上升时间Tr和下降时间Tf的要求调整。无论连接几片TH58100，只能有一个统一的上拉电阻，以防止过大的灌电流。
双重写保护设计
机载环境下，电子盘文件系统经常遭受破坏，抗干扰和写保护设计是非常重要的。图3中的S1跳线开路时，写保护信号WP_PD# 处于高电平，经过软件设置可使LD017控制器处于写保护状态。不再执行主机发送的任何破坏性命令，诸如格式化、写缓冲、写扇区、验证式写等命令。当需要装入程序或合法记录飞行状态时，将S1短接并用软件开锁。这是第一重写保护。第二重保护应该设计在LD017控制器和存储介质之间。在图5的D2.19管脚，即TH58100的写保护用10K的电阻下拉，确保上电/掉电瞬间LD017在未知状态时的误操作不被执行。这一措施在图5中并没有体现出来。
动态写保护设计
在图3的写保护电路中，S1采用手工跳线进行写保护。在运行时只能一直保持在某种状态，例如在写保护模式下，应用程序无法写入。若要写入，必须断电重新跳线。
图6是一种动态写保护改进设计。WP_PD#写保护信号由应用程序控制，根据需要将电子盘设置在可读写模式或只读(写保护)。图中使用GAL16V8实现这种功能，地址和IO读写信号都来自EISA总线，其逻辑核心编程用ABEL描述如下:
… …
EQUATIONS
CS_WP = (!IOW # !IOR) & (SAddr == OurAddr);
Q.clk = WrCLK;
Q.OE = !OE;
Q.CLR = !HDRST # !POR; // 复位.
FBQ = !Q.FB; // 反相输出.
State_Diagram [Q];
State S0 : // 写保护状态.
if (!IOW) then S1;
State S1 : // 可读写状态.
if (!IOR) then S0;
end WrProtect
图6中，当WP_PD# 和Q连接时，上电复位时Q=L，处于写保护模式。应用程序在写盘(文件)时可以这样编写
outp(WrCtrlReg,AByte); // 写该端口，退出写保护模式。
… … // 写盘(文件)操作.
Inp(WrCtrlReg); // 读该端口，恢复写保护模式。
当WP_PD# 和 //Q连接时，上电复位时 /Q=H，处于可读写模式。应用程序在写盘(文件)时和接Q端刚好相反，亦即写端口进入写保护模式，读端口退出写保护模式。
五 调试方法调试软件
“三分设计，七分调试”。硬件设计过程就应考虑调试的方便性。LD017有一个串行通讯接口，可以监控硬件。可以扩展利用。
5.1 SCI调试接口设计
通过SCI接口可以得知出错类型信息，更新ID号，改变CHS和PIO模式等，非常有利于调试。其扩展电路具体方法如图7所示。
LD017提供的SCI接口遵从RS232通讯协议，但它是TTL电平。使用MAX232进行电平转换，就可以和PC机的串口连接，进行通讯检测和调试。调试时要将图中S2短接，即接地，使能SCI接口功能。PC串口初始化时配置固定为:
波特率9600BPS Odd Parity(奇校验) 和 1 Stop bit(停止位)。
5.2 调试软件
调试软件除PC机串口和SCI通讯有关命令外，主要集中在IDE接口命令操作。下面是基于OOP技术，采用Delphi语言，为电子盘创建的类(Class)的描述。这个TEDisk类提供可设置的属性(Property)和操作方法(Method)，供硬件调试时灵活调用。当循环调用某一方法时，可重复产生特定信号波形，用示波器捕获分析。
const
// IDE 接口命令集.
ChkPwr_CMD = $E5; // or 98H,Check-Power 检查电源模式.
Diagnst_CMD = $90; // Execute-Drive-Diagnostic:驱动器诊断.
… …
ReadSctr_CMD = $20; // or 21H,Read-Sector(s): 读扇区
WriteSctr_CMD = $30; // or 21H,Read-Sector(s): 读扇区
type
TIDEPort = ( idePrimary, ideSecondary);
TDrive = ( drvMaster, drvSlave);
TAdrMode = ( amLBA, amCHS);
// 以下为TEDisk组件(类)正式定义的框架。
TEDisk = class(TComponent)
private
FIDEPort : TIDEPort; // IDE 端口号
FDrive : TDrive; // 主从盘.
FAdrMode : TAdrMode; // 寻址模式.
… …
// CS1FX 信号有效时的寄存器
FDataReg : Word; // 读写,数据寄存器
… …
FCommandReg : Word; // 只写,命令寄存器
// CS3FX 信号有效时的3个寄存器
FAltSReg : Word; // 只读,预备的状态寄存器
FDevCtrlReg : Word; // 只写,设备控制寄存器
FDevAddrReg : Word;
… …
function WaitNotBusy:boolean;
function WaitDRQ:boolean;
public // 公用方法
constructor Create( AOwner: TComponent ); override;
procedure ChkPwrMode; // 检查电源模式.
function Diagnostic(Var Diag:byte):boolean; // 电子盘诊断.
… …
function WriteSctr(SctrNo:DWord;Buf:array of Word):boolean; // 写扇区
function ReadSctr(SctrNo: DWord;var Buf: array of Word): boolean; // 读扇区
… …
published
property IDEPort: TIDEPort read FIDEPort write SetIDEPort default ideSecondary;
property Drive: TDrive read FDrive write SetDrive default drvMaster;
property AdrMode: TAdrMode read FAdrMode write SetAdrMode default amLBA;
… …
end;
implementation
… …
在具体实现时，我们只示意性说明组件二个比较主要的方法，即写扇区和读扇区。其源代码如下：
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
// function WriteSctr(SctrNo:DWord;Buf:array of Word):boolean;
// 功能:
// 向电子盘接口写一扇区. 假定采用 LBA 逻辑扇区寻址模式.
// 入口参数:
// SctrNo: 写操作起始扇区号,32-Bit.
// Buf: 写扇区数据缓冲,16-Bit.
// 返回结果
// Result = True: 操作完成.
// False: 操作出错.
//------------------------------------------------------------------------------------------------
function TEDisk.WriteSctr(SctrNo: DWord; Buf: array of Word): boolean;
var AByte:byte;
i:integer;
begin
outp(FSectrCntReg,1); // 设置读写扇区数
AByte := SctrNo;
outp(FSectrNoReg,AByte); // 设置起始扇区号,亦即 LBA7-0.
AByte := (SctrNo and $0000FF00) shr 8;
outp(FCylLowReg,AByte); // 设置柱面号(低),亦即 LBA15-8.
AByte := (SctrNo and $00FF0000) shr 16;
outp(FCylLowReg,AByte); // 设置柱面号(高),亦即 LBA23-16.
AByte := (SctrNo and $0F000000) shr 24;
outp(FCylLowReg,FDriveHead or AByte); // 亦即 Drive,LBA27-24.
outp(FCommandReg,WriteSctr_CMD); // 发写扇区命令.
WaitDRQ; // 等待 DRQ,即 IDE 准备接收写数据.
for i := 0 to 255 do
OutpW(FDataReg,Buf[i]); // 写16-Bit数据寄存器,
Result := WaitNotBusy; // 查看操作结果.
end;
//------------------------------------------------------------------
// function ReadSctr(SctrNo:DWord;var Buf:array of Word):boolean;
// 功能:
// 从电子盘接口读一扇区. 假定采用 LBA 逻辑扇区寻址模式.
// 入口参数:
// SctrNo: 读操作起始扇区号,32-Bit.
// 出口参数:
// Buf: 所读扇区数据缓冲,16-Bit.
// 返回结果
// Result = True: 操作完成.
// False: 操作出错.
//-------------------------------------------------------------------
function TStdIDEPort.ReadSctr(SctrNo: DWord;var Buf: array of Word):boolean;
var AByte:byte;
i:integer;
begin
WaitNotBusy; // 等待上次操作结束.
outp(FSectrCntReg,1); // 设置读写扇区数
AByte := SctrNo;
outp(FSectrNoReg,AByte); // 设置起始扇区号,亦即 LBA7-0.
AByte := (SctrNo and $0000FF00) shr 8;
outp(FCylLowReg,AByte); // 设置柱面号(低),亦即 LBA15-8.
AByte := (SctrNo and $00FF0000) shr 16;
outp(FCylLowReg,AByte); // 设置柱面号(高),亦即 LBA23-16.
AByte := (SctrNo and $0F000000) shr 24;
outp(FCylLowReg,FDriveHead or AByte); // 亦即 Drive,LBA27-24.
outp(FCommandReg,ReadSctr_CMD); // 发读扇区命令.
Result := WaitDRQ; // 等待 DRQ,即 IDE 准备接收好数据.
if Result then
for i := 0 to 255 do
Buf[i] := InpW(FDataReg); // 读数据寄存器, 16-Bit.
end;
在上面读写程序中，我们每次只指定了一个扇区数，在实用程序时应该将扇区数作为一个参数传递。代码中使用的Inp、OutP、InpW、OutpW等I/O操作函数是使用嵌入汇编实现的工具性函数，例如 OutpW和InpW的实现过程如下:
procedure OutpW(Port,Value:Word);
asm
MOV DX,Port
MOV AX,Value
OUT DX,AX
end;
function InpW(Port:Word):Word;
asm
MOV DX,Port
IN AX,DX
end;
其它细节不再叙述，对源代码有兴趣的读者，可直接和作者联系。
六 结束语
按照上面原理设计的电子盘已经通过装机试飞，图8是试飞的一个画面。试飞证明，电子盘逻辑设计合理、可靠，通过了机载设备所需的各种严格实验，已经开始投入使用。我们相信，随着第4代飞机性能提高，一定有能力保卫祖国领空和领海的安宁与祥和。“落霞与孤鹜齐飞，秋水共长天一色”的美景永存。
