Obsługa kart pamięci Flash za pomocą mikrokontrolerów, cz.1.pdf

K U R S

Obsługa kart pamięci Flash

za pomocą mikrokontrolerów,

część 1

Karty pamiÍci Flash znajduj¹ coraz szersze zastosowanie

w†elektronice uøytkowej. Cyfrowe aparaty fotograficzne,

odtwarzacze MP3, organizery czy palmtopy to urz¹dzenia,

w†ktÛrych zastosowanie kart pamiÍci sta³o siÍ wrÍcz

niezbÍdne. Spowodowa³o to znaczny spadek ich cen, a†szybki

rozwÛj przemys³u elektronicznego umoøliwi³ wzrost pojemnoúci

kart do ponad 1†GB!

Coraz czÍúciej ulegamy wiÍc pokusie zastosowania kart pamiÍci

we w³asnych projektach. W†artykule chcia³bym przybliøyÊ

Czytelnikom budowÍ, sposÛb pod³¹czenia oraz wymagane

protoko³y komunikacji dwÛch najbardziej popularnych

i†jednoczeúnie dobrze udokumentowanych typÛw kart pamiÍci:

Compact Flash (CF) oraz Multimedia Card (MMC).

Wraz ze wzrostem zapotrzebo-

wania na tanie i†pojemne noúniki

danych niezawieraj¹cych elementÛw

ruchomych, kilka firm specjalizuj¹-

cych siÍ w elektronice uøytkowej

rozpoczÍ³o produkcjÍ kart pamiÍcio-

wych opartych na technologii pa-

miÍci FLASH. Powsta³o kilka od-

miennych rodzajÛw kart, rÛøni¹cych

siÍ konstrukcj¹ mechaniczn¹, inter-

fejsem i†sposobem komunikacji. Na

rynku pojawi³y siÍ karty: Compact

Flash, Multimedia Card, Smart Me-

dia, Secure Digital, Memory Stick

i†kilka innych mniej znanych ro-

dzajÛw.

Tab. 1. Opis styków kart CF

Numer Typ Nazwa sygna³u Nazwa sygna³u Nazwa sygna³u

styku w trybie w trybie w trybie

PC Card Memory PC Card I/O True IDE

1 P GND GND GND

2... 6 I/O D03...D07 D03...D07 D03...D07

7 I -CE1 -CE1 -CS0

8 I A10 A10 A10 *GND

9 I -OE -OE -ATA SEL

10 - 12 I A09...A07 A09...A07 A09...A07 *GND

13 P VCC VCC VCC

14 - 17 I A06...A03 A06...A03 A06...A03 *GND

18- 20 I A02...A00 A02...A00 A02...A00

21 - 23 I/O D00...D02 D00...D02 D00...D02

24 O WP -IOS16 -IOS16

25 O -CD1 -CD1 -CD1

26 O -CD2 -CD2 -CD2

27 - 31 I/O D11...D15 D11...D15 D11...D15

32 I -CE2 -CE2 -CS1

33 O -VS1 -VS1 -VS1

34 I -IORD -IORD -IORD

35 I -IOWR -IOWR -IOWR

36 I -WE -WE -WE *VCC

37 O RDY/-BSY -IREQ INTRQ

38 P VCC VCC VCC

39 I -CSEL -CSEL -CSEL

40 O -VS2 -VS2 -VS2

41 I RESET RESET -RESET

42 O -WAIT -WAIT IORDY

43 O -INPACK -INPACK -INPACK

44 I -REG -REG -REG *VCC

45 I/O BVD2 -SPKR -DASP

46 I/O BVD1 -STSCHG -PDIAG

47 - 49 I/O D08...D10 D08...D10 D08...D10

50 P GND GND GND

Legenda: I - wejœcie; O - wyjœcie; I/O - linia dwukierunkowa (wejœcie-wyjœcie); P - zasilanie;

*GND - w tym trybie pod³¹czyæ do GND; *VCC - w tym trybie pod³¹czyæ do VCC

Kaøda karta pamiÍci sk³ada siÍ

z†pamiÍci, najczÍúciej typu NAND

Flash oraz specjalizowanego kontro-

lera zarz¹dzaj¹cego ni¹ i†bÍd¹cego

jednoczeúnie interfejsem wejúciowo-

wyjúciowym karty ( rys. 1 ).

W†zaleønoúci od rodzaju karty,

interfejs moøe byÊ typu rÛwnoleg³e-

go lub szeregowego. Karty typu

Compact Flash s¹ kartami z†inter-

fejsem rÛwnoleg³ym, mog¹cym ko-

munikowaÊ siÍ z†mikrokontrolerem

za pomoc¹ 8- lub 16-bitowej magis-

trali danych oraz kilku linii adre-

sowych i†steruj¹cych. Karty typu

Rys. 1. Schemat blokowy kart

pamięci FLASH

Fot. 2. Wygląd karty

Compact Flash

Elektronika Praktyczna 2/2004

K U R S

Rys. 3. Schemat przejściówki z karty CF na złącze IDE

Rys. 4. Podłączenie karty CF do mikrokontrolera AVR

Elektronika Praktyczna 2/2004

K U R S

Rys. 5. Podłączenie karty CF wraz z dodatkową pamięcią RAM do mikrokontrolera AVR

MMC s¹ wyposaøone w†interfejs

szeregowy, w ktÛrym zastosowano

do komunikacji zaledwie 3†linie. Ze

wzglÍdu na znaczne rÛønice pomiÍ-

dzy oboma rodzajami kart opiszÍ je

oddzielnie.

nych. Kolejn¹ zalet¹ tych kart jest

wbudowany uk³ad korekcji b³ÍdÛw

oraz wykrywania i†omijania ewentu-

alnych defektÛw pamiÍci. Ze wzglÍ-

du na 16-bitowy, rÛwnoleg³y inter-

fejs, karty te osi¹gaj¹ transfer da-

nych o†szybkoúci do 16 MB/s. Øy-

wotnoúÊ kart CF okreúla siÍ†na po-

ziomie 1†miliona zapisÛw lub 1†mi-

liona godzin pracy, a†czas przecho-

wywania danych - na poziomie 100

lat. Sama karta ma wymiary

42,8x36,4x3,3 mm i†waøy oko³o 11

gramÛw.

bÛw czÍúÊ sygna³Ûw wystÍpuj¹cych

na z³¹czu karty ma odmienne fun-

kcje. W† tab. 1 opisano nazwy syg-

na³Ûw wyprowadzanych na poszcze-

gÛlne styki z³¹cza CF we wszyst-

kich trzech trybach pracy, a†w† tab.

2 funkcje poszczegÛlnych sygna³Ûw.

W†trybach Memory oraz I/O, do-

stÍp do karty moøe byÊ realizowa-

ny w†trybie 8-bitowym - przy

wspÛ³pracy z†8-bitowymi mikropro-

cesorami lub w†celu przyspieszenia

komunikacji z†mikroprocesorami 16-

bitowymi, karta moøe pracowaÊ wy-

korzystuj¹c pe³n¹, 16-bitow¹ magis-

tralÍ danych. W†celu wykorzystania

16-bitowego trybu wejúcia -CE1 i†-

CE2 ³¹czymy razem i†wykorzystuje-

my jako pojedynczy sygna³ Chip

Select . W†trybie True IDE komuni-

kacja odbywa†siÍ wy³¹cznie za po-

moc¹ interfejsu 16-bitowego.

Karty Compact Flash

Compact Flash jest najstarszym

typem karty. Po raz pierwszy zo-

sta³a ona zaprezentowana w†1994

roku przez firmÍ SanDisk. Od tego

czasu karty te zyska³y duø¹ popu-

larnoúÊ ze wzglÍdu na najwiÍksze

osi¹gane pojemnoúci, najlepszy sto-

sunek pojemnoúci do ceny oraz

moøliwoúÊ prawie bezpoúredniego

pod³¹czenia do komputera PC -

szczegÛlnie typu notebook. Potrzeb-

na jest jedynie pasywna przejúciÛw-

ka z†50-stykowego z³¹cza karty na

68-stykowe z³¹cze PCMCIA.

Karty CF maj¹ obecnie najwiÍk-

sze pojemnoúci - do 1†GB, chociaø

s¹ juø dostÍpne pierwsze karty

o†pojemnoúci 4†GB ( fot. 2 ). Karty te

mog¹ byÊ zasilane zarÛwno napiÍ-

ciem 3,3†V, jak i†5†V, co czyni je

idealnymi do zastosowania w bar-

dzo wielu urz¹dzeniach przenoú-

Interfejs

Interfejs kart CF jest elektrycz-

nie zgodny z†interfejsem PCMCIA,

powszechnie stosowanym w†przenoú-

nych komputerach typu notebook.

Jest to dwurzÍdowe, 50-stykowe z³¹-

cze szpilkowe z†rastrem 1,27 mm,

podobne do 68-stykowego z³¹cza

PCMCIA. W†zaleønoúci od potrzeb,

karty CF mog¹ pracowaÊ w†jednym

z†trzech trybÛw komunikacji: PC

Card w†trybie Memory , PC Card

w†trybie I/O oraz True IDE -

zgodnym ze standardowymi dyska-

mi twardymi IDE. W†kaødym z†try-

WybÛr trybu pracy

Bezpoúrednio po za³¹czeniu zasi-

lania karta moøe siÍ uruchomiÊ

w†jednym z†dwÛch trybÛw. Jeúli

w†tym czasie na wejúciu -OE bÍ-

dzie wystÍpowa³ poziom wysoki, to

karta zostanie skonfigurowana do

Elektronika Praktyczna 2/2004

K U R S

pracy w†trybie PC Card Memory .

Aby zmieniÊ tryb na I/O, naleøy

dokonaÊ odpowiedniego wpisu do

rejestru Configuration Option Regis-

ter pod adresem 0†w†obszarze rejes-

trÛw konfiguracyjnych (dostÍp przy

niskim poziomie sygna³u -REG).

Aby wymusiÊ pracÍ w†trybie

True IDE, naleøy za³¹czyÊ zasilanie

karty przy niskim poziomie na wej-

úciu -OE (ktÛre w†tym trybie ma

nazwÍ -ATA SEL). W†tym przypad-

ku nie ma dostÍpu do rejestrÛw

konfiguracyjnych karty, a†kontroler

karty zachowuje siÍ jak standardo-

wy dysk twardy IDE. Ten tryb pra-

cy wykorzystuje siÍ jedynie w†przy-

padku pod³¹czenia karty CF do ma-

gistrali IDE komputera PC. W†tym

celu niezbÍdna jest odpowiednia

przejúciÛwka, ktÛrej schemat poka-

zano na rys. 3 .

Tab. 2. Funkcje poszczególnych sygnałów występujących na złączu karty CF

Nazwa sygna³u Tryb

Opis

A10...A00

MEM , I/O

W trybach PC Card linie adresowe wykorzystywane wraz z sygna³em

-REG do adresowania wewnêtrznych rejestrów kontrolera

A02...A00

IDE

W trybie True IDE wykorzystuje siê tylko linie A02...A00 do adreso-

wania jednego z oœmiu rejestrów IDE, a pozosta³e linie adresowe

powinny byæ po³¹czone z GND

BVD1

MEM

Nieu¿ywany w tym trybie

-STSCHG

I/O

Zmienia stan na niski w celu poinformowania o zmianie statusu

(RDY/-BSY, WP)

PDIAG

IDE

Wejœcie/Wyjœcie sygna³u informuj¹cego o poprawnej diagnostyce

dla wspó³pracy 2 urz¹dzeñ IDE

BVD2

MEM

Nieu¿ywany w tym trybie

-SPKR

I/O

Cyfrowe wyjœcie dŸwiêku, je¿eli karta posiada tak¹ funkcjê

-DASP

IDE

Wejœcie/Wyjœcie sygna³u informuj¹cego o aktywnoœci karty lub obec-

noœci urz¹dzenia Slave dla wspó³pracy 2 urz¹dzeñ IDE

-CD1, -CD2

MEM, I/O, IDE

Detekcja w³o¿enia karty. Styki pod³¹czone wewn¹trz karty z GND.

Te styki z³¹cza CF s¹ krótsze ni¿ pozosta³e

-CE1, -CE2

MEM, I/O

Oba sygna³y pe³ni¹ rolê sygna³ów wyboru karty ( Chip Select ) oraz

do wyboru trybu 8- lub 16-bitowego dostêpu do karty. -CE2 zawsze

wybiera starsze 8 bitów s³owa. -CE1 wybiera m³odszy lub starszy

bajt s³owa w zale¿noœci od stanu sygna³ów A0 i -CE2. Odpowiednia

kombinacja sygna³ów A0, -CE1 i -CE2 umo¿liwia dostêp do 16-bito-

wych danych jedynie poprzez 8 linii danych (D00...D07)

Pod³¹czenie karty CF do

mikrokontrolera

Pod³¹czaj¹c kartÍ CF do mikro-

kontrolera jednouk³adowego, najdo-

godniej jest wybraÊ tryb PC Card

Memory . Jeúli ma to byÊ 8-bitowy

mikrokontroler, to naleøy uøywaÊ 8-

bitowego trybu dostÍpu. W†wiÍk-

szoúci przypadkÛw nie ma potrzeby

dokonywania jakichkolwiek zmian

w†obszarze rejestrÛw konfiguracyj-

nych karty, co znacznie upraszcza

uk³ad i†ogranicza liczbÍ pinÛw nie-

zbÍdnych do komunikacji mikrokon-

trolera z†kart¹. Jeúli uøyty mikro-

kontroler ma wbudowany interfejs

do obs³ugi zewnÍtrznej pamiÍci

RAM, to moøemy go wykorzystaÊ,

co znacznie upraszcza i przyúpiesza

dzia³anie procedur komunikacyjnych.

Oczywiúcie w†przypadku braku ta-

kiego interfejsu nic nie stoi na

przeszkodzie, aby do komunikacji

uøyÊ standardowych linii portÛw

wejúcia-wyjúcia, a†odpowiednie kom-

binacje sygna³Ûw steruj¹cych gene-

rowaÊ programowo.

Na rys. 4 i† rys. 5 pokazano

przyk³adowe sposoby pod³¹czenia

karty CF, skonfigurowanej do pracy

w†trybie PC Card Memory, do mik-

rokontrolera Atmega161 firmy At-

mel. Mikrokontroler ma wbudowany

interfejs do zewnÍtrznej pamiÍci

RAM, a†wiÍc zosta³ on uøyty. Do

pe³nej obs³ugi rejestrÛw karty odpo-

wiadaj¹cych za adresowanie, zapis

i†odczyt ca³ego dostÍpnego obszaru

pamiÍci Flash na karcie wystarczy

uøycie tylko jej 4†linii adresowych

(adresy od A00 do A03). Pozosta³e

linie adresowe ³¹czymy po prostu

z†mas¹.

-CS0, -CS1

IDE

Linia -CS1 jest u¿ywana do wyboru dostêpu do Alternatywnego

Rejestru Statusu oraz Rejestru Kontrolnego , linia -CS0 do wyboru

pozosta³ych rejestrów IDE

-CSEL

MEM, I/O

Nieu¿ywany w tych trybach

IDE

Wybór trybu IDE Master/Slave. Pod³¹czenie tej linii do masy powodu-

je skonfigurowanie karty jako dysku Slave. Aby karta zg³asza³a siê

jako dysk Master, linia ta powinna pozostaæ niepod³¹czona

D15 - D00

MEM, I/O, IDE

16 dwukierunkowych linii danych s³u¿¹cych do zapisu/odczytu

danych oraz rejestrów konfiguracyjnych. W przypadku wykorzystania

8-bitowego dostêpu, u¿ywane s¹ linie D00...D07. Tryb IDE zawsze

wykorzystuje 16-bitowy tryb dostêpu

-INPACK

I/O

Sygna³ wystawiany przez kartê w momencie potwierdzenia przyjêcia

danych przez kartê. Mo¿e byæ wykorzystany przez system do stero-

wania buforów magistrali danych

MEM, IDE

Nieu¿ywany w tych trybach

-IORD

MEM

Nieu¿ywany w tym trybie

I/O, IDE

Sygna³ zezwolenia na odczyt z karty

-IOWR

MEM

Nieu¿ywany w tym trybie

I/O, IDE

Sygna³ zezwolenia na zapis do karty. Dane s¹ zatrzaskiwane na

narastaj¹cym zboczu

-OE

MEM

Sygna³ zezwolenia na odczyt z karty w trybie Memory

I/O

W tym trybie sygna³ ten jest u¿ywany do odczytu rejestru CIS oraz

rejestru konfiguracji

-ATA SEL

IDE

Aby karta CF pracowa³a w trybie True IDE , linia ta musi zostaæ

po³¹czona z GND

RDY/-BSY

MEM

Sygna³ gotowoœci karty do przyjêcia nowych danych. Stan niski

oznacza zajêtoœæ karty. W trakcie resetu karty sygna³ ten utrzymywa-

ny jest w stanie niskim a¿ do zakoñczenia wewnêtrznego zerowania

-IREQ

I/O

Wyjœcie ¿¹dania przerwania do mikrokontrolera. Aktywne w stanie

niskim lub przy opadaj¹cym zboczu

INTRQ

IDE

Wyjœcie ¿¹dania przerwania dla interfejsu IDE. Aktywne w stanie wy-

sokim

-REG

MEM

Sygna³ wyboru dostêpu do rejestrów konfiguracyjnych karty lub

do rejestrów komunikacji (ATA). Niski dla dostêpu do rejestrów

konfiguracyjnych

I/O

Musi byæ w stanie niskim w czasie wystawiania adresu na magistralê

IDE

Nieu¿ywany w tym trybie. Powinien byæ pod³¹czony do VCC

RESET

MEM, I/O

Sygna³ zeruj¹cy kontroler karty CF. Aktywny w stanie wysokim

-RESET

IDE

Sygna³ zeruj¹cy kontroler karty CF. Aktywny w stanie niskim

Elektronika Praktyczna 2/2004

K U R S

Tab. 2 − cd.

Nazwa sygna³u Tryb

Opis

na do linii -CE1 karty CF i†pozwala

na dostÍp do niej w†8-bitowym try-

bie. W†tym przypadku rejestry karty

s¹ ulokowane w†obszarze pamiÍci ze-

wnÍtrznej o†adresach poniøej 0x8000.

W†uk³adzie z† rys. 5 , oprÛcz kar-

ty CF, do mikrokontrolera pod³¹czo-

no dodatkow¹ pamiÍÊ RAM o po-

jemnoúci 32 kB, ulokowan¹ w†ob-

szarze poniøej 0x8000. Adresy kar-

ty CF musz¹ siÍ wiÍc znajdowaÊ

powyøej tego obszaru. W†tym celu

linia A15 mikrokontrolera doprowa-

dzona jest do inwertera i†po zane-

gowaniu jej sygna³u powoduje wy-

bieranie karty CF za pomoc¹ syg-

na³u -CE1. W†tym przypadku jest

niezbÍdny zatrzask adresowy, wiÍc

linie A00...A03 karty mog¹ byÊ†pod-

³¹czone do linii adresowych A0...A3

i†karta CF zajmuje obszar pamiÍci

o†adresach od 0x8000 do 0x800F.

Jeúli mamy juø odpowiednio

pod³¹czon¹ kartÍ CF, musimy napi-

saÊ odpowiednie oprogramowanie

umoøliwiaj¹ce zapis i†odczyt zawar-

toúci karty. Ale o†tym napiszÍ

w†drugiej czÍúci kursu.

Romuald Bia³y

-VS1, -VS2

MEM, I/O, IDE

Sygna³ -VS1 jest pod³¹czony wewn¹trz karty CF do GND w celu

poinformowania interfejsu PCMCIA o mo¿liwoœci pracy przy napiêciu

3,3 V. -VS2 jest zarezerwowany przez PCMCIA dla drugiego zasilania

-WAIT

MEM, I/O

Sygna³ generowany przez kartê w celu przed³u¿enia cyklu dostêpu do

IORDY

karty. Aktywny w stanie niskim

IDE

Mo¿e byæ wykorzystany do sygnalizacji gotowoœci interfejsu ATA

-WE

MEM

Sygna³ zezwolenia na zapis rejestrów karty w trybie Memory .

U¿ywany tak¿e do zapisu rejestrów konfiguracyjnych

I/O

U¿ywany do zapisu rejestrów konfiguracyjnych karty

IDE

Nieu¿ywany w tym trybie. Powinien byæ pod³¹czony do VCC

MEM

Karty CF nie posiadaj¹ prze³¹cznika blokady zapisu, któr¹ udostêpnia

specyfikacja PCMCIA, wiêc po zakoñczeniu sekwencji inicjalizacji

wyjœcie to przyjmuje stan niski

-IOS16

I/O, IDE

Przyjmuje stan niski, kiedy wykorzystywany jest 16-bitowy tryb

dostêpu do danych

GND

Masa zasilania i sygna³ów I/O

VCC

Zasilanie karty CF (+5 lub +3,3 V)

W†uk³adzie z† rys. 4 nie przewi-

dziano pod³¹czenia dodatkowej, ze-

wnÍtrznej pamiÍci statycznej RAM,

wiÍc moøe on byÊ maksymalnie

uproszczony, a†karta CF moøe byÊ

umieszczona w†dowolnym obszarze

zewnÍtrznej pamiÍci RAM mikrokon-

trolera. Dlatego teø zbÍdny jest za-

trzask adresowy na liniach

AD0...AD7 mikrokontrolera, a†linie

A00...A03 karty CF s¹ po³¹czone z†li-

niami A8...A11 mikrokontrolera. Kar-

ta jest wybierana niskim poziomem

na linii A15, ktÛra jest doprowadzo-

Elektronika Praktyczna 2/2004

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: