基于FAS446處理器的軟件設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)例分析

ＦＡＳ４６６是Ｑｌｏｇｉｃ公司生產(chǎn)的一款高性能ＳＣＳＩ處理器，它可提供Ｆａｓｔ４０ ＳＣＳＩ同步傳輸速率，其高度集成的ＳＣＳＩ核心支持先進(jìn)的ＳＣＡＭ一層和二層協(xié)議，而內(nèi)嵌的微控制器則使用戶可以通過靈活多變的編程方式協(xié)調(diào)ＳＣＳＩ隊(duì)列，簡明清晰的外部接口使得硬件設(shè)計(jì)更為簡單，尤其適合于開發(fā)專用ＳＣＳＩ存儲(chǔ)系統(tǒng)。硬件接口的設(shè)計(jì)此前已有文章介紹，而軟件設(shè)計(jì)是基于ＦＡＳ４６６系統(tǒng)的開發(fā)難點(diǎn)，目前此類文章尚不多見。本文通過對(duì)ＦＡＳ４６６處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和操作原理的深入分析，給出了基于ＦＡＳ４６６處理器系統(tǒng)的通用軟件解決方案和應(yīng)用實(shí)例。

１、ＦＡＳ４６６的結(jié)構(gòu)和原理

ＦＡＳ４６６的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖１所示，該器件由ＳＣＳＩ控制器、微控制器、ＦＩＦＯ以及連接它們的總線和信號(hào)線組成，并通過它們?yōu)橥獠刻峁?a target="_blank">微處理器接口、ＤＭＡ接口和ＳＣＳＩ總線接口。

ＦＡＳ４６６微處理器接口可以連接多種微處理器或ＤＳＰ；而ＤＭＡ接口則主要與外部ＤＭＡ控制器連接？組成ＤＭＡ通道；ＳＣＳＩ總線接口可以連接各種ＳＣＳＩ設(shè)備。其中，ＳＣＳＩ控制器與微控制器分別是ＳＣＳＩ協(xié)議的執(zhí)行中心和控制核心。

１．１ ＳＣＳＩ控制器操作原理

ＳＣＳＩ控制器為ＳＣＳＩ協(xié)議操作提供了靈活有力的底層硬件支持。它通過３２個(gè)８位寬的寄存器與外部微處理器作用。ＳＣＳＩ控制器命令集包括中斷命令、斷開命令、目標(biāo)器模式命令、啟動(dòng)器模式命令和混合命令。外部微處理器或者ＦＡＳ４６６微控制器通過向ＳＣＳＩ控制器命令寄存器中寫入代表特定行為的命令代碼來實(shí)現(xiàn)命令的發(fā)送。ＳＣＳＩ控制器將自動(dòng)執(zhí)行命令，通過命令中斷狀態(tài)寄存器和命令狀態(tài)寄存器來反映命令完成的狀態(tài)信息。

ＳＣＳＩ控制器內(nèi)部有五個(gè)狀態(tài)階段：復(fù)位狀態(tài)、斷開（空閑）狀態(tài)、選擇和重選允許狀態(tài)、目標(biāo)器空閑狀態(tài)和啟動(dòng)器空閑狀態(tài)。其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖２所示。

（１）復(fù)位狀態(tài)

上電復(fù)位后，ＳＣＳＩ控制器處于復(fù)位狀態(tài)，此時(shí)ＳＣＳＩ控制器不能驅(qū)動(dòng)任何ＳＣＳＩ總線信號(hào)，也不響應(yīng)任何信號(hào)，命令寄存器中的命令被忽略？而且只要ＦＡＳ４６６外部復(fù)位信號(hào)有效，ＳＣＳＩ控制器始終保持在這個(gè)狀態(tài)。在操作過程中，外部微處理器可以通過給ＳＣＳＩ控制器模塊的復(fù)位位寫１（微處理器接口模塊復(fù)位寄存器１位）使ＳＣＳＩ控制器處于復(fù)位狀態(tài)，寫０使ＳＣＳＩ控制器進(jìn)入空閑狀態(tài)。

（２） 斷開（空閑）狀態(tài)

當(dāng)ＳＣＳＩ總線復(fù)位信號(hào)（ＲＳＴ）有效，且ＳＣＳＩ控制器不處于復(fù)位狀態(tài)或者ＳＣＳＩ控制器與ＳＣＳＩ總線斷開時(shí)，ＳＣＳＩ控制器進(jìn)入該狀態(tài)，此狀態(tài)不能進(jìn)行選擇和重選操作。

（３）選擇和重選允許狀態(tài)

當(dāng)斷開模式命令允許ＳＣＳＩ控制器響應(yīng)選擇和重選信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入此狀態(tài)，所有參與仲裁使用ＳＣＳＩ總線的命令都必須經(jīng)過此狀態(tài)。該狀態(tài)下，ＳＣＳＩ控制器響應(yīng)總線發(fā)出選擇和重選事件。除非進(jìn)入目標(biāo)器或啟動(dòng)器空閑狀態(tài)，或者ＲＳＴ信號(hào)有效，否則ＳＣＳＩ控制器將一直保持這個(gè)狀態(tài)。

（４）目標(biāo)器空閑狀態(tài)

當(dāng)ＳＣＳＩ控制器響應(yīng)總線發(fā)起事件或者作為其它ＳＣＳＩ設(shè)備重選的結(jié)果時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入該狀態(tài)。此狀態(tài)下，ＳＣＳＩ控制器將作為目標(biāo)器連接到ＳＣＳＩ總線，且當(dāng)ＢＳＹ（總線忙）信號(hào)有效時(shí)，系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)ＳＣＳＩ階段流水線。此狀態(tài)承認(rèn)目標(biāo)器模式和混合命令。除非ＳＣＳＩ控制器目標(biāo)器斷開（總線空閑）或者ＲＳＴ信號(hào)有效，否則ＳＣＳＩ控制器將一直保持該狀態(tài)。

（５）啟動(dòng)器空閑狀態(tài)

當(dāng)ＳＣＳＩ控制器響應(yīng)總線重選事件或者作為其它ＳＣＳＩ設(shè)備選擇的結(jié)果時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入該狀態(tài)。此狀態(tài)下，ＳＣＳＩ控制器將作為啟動(dòng)器連接到ＳＣＳＩ總線上，而ＦＡＳ４６６并不使ＢＳＹ信號(hào)有效，也不驅(qū)動(dòng)ＳＣＳＩ階段流水線。ＳＣＳＩ控制器將一直保持這個(gè)狀態(tài)、直到ＳＣＳＩ總線空閑（目標(biāo)器斷開）或者ＲＳＴ信號(hào)有效。

ＳＣＳＩ控制器根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)，總線發(fā)起事件和命令寄存器中的命令來決定各個(gè)狀態(tài)階段之間的轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)ＳＣＳＩ總線的仲裁作用，并響應(yīng)總線發(fā)起選擇或者重選事件以及進(jìn)行命令、消息、數(shù)據(jù)、狀態(tài)在ＳＣＳＩ總線上的傳輸?shù)热蝿?wù)。

１．２ ＦＡＳ４６６微控制器操作原理

ＦＡＳ４６６微控制器是一個(gè)小型的Ｆａｓｔ結(jié)構(gòu)（４０Ｍｉｌｌｉｏｎ指令每秒）ＲＩＳＣ微處理器，內(nèi)部有一個(gè)３２位的寄存器文件、一個(gè)五級(jí)深度的堆棧、一個(gè)整型ＡＬＵ和其它特殊功能寄存器。該微控制器的所有指令都是１６位寬，除了子程序在兩個(gè)指令周期（四個(gè)時(shí)鐘周期）內(nèi)完成外，其它所有指令均在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。

ＦＡＳ４６６微控制器有三種操作狀態(tài)：復(fù)位狀態(tài)，空閑狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖３所示。

系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，微控制器進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，在空閑和復(fù)位狀態(tài)下，外部微處理器可以通過Ｉ／Ｏ口操作微控制器的內(nèi)部寄存器和程序存儲(chǔ)器。首先由外部微處理器通過地址指針寄存器加載寄存器地址，然后再通過內(nèi)部寄存器或者程序存儲(chǔ)器的字節(jié)操作寄存器來進(jìn)行操作。外部微處理器則通過設(shè)置地址指針寄存器和寫程序數(shù)據(jù)到程序存儲(chǔ)器的字節(jié)寄存器來將程序下載到微控制器的程序存儲(chǔ)器中。下載完畢后，外部微處理器向程序計(jì)數(shù)器寫程序開始執(zhí)行的地址，然后寫０１ｈ到控制狀態(tài)寄存器，這樣程序就會(huì)從指定的位置開始執(zhí)行以進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。微控制器運(yùn)行過程中，外部微處理器不能打斷微控制器或者ＳＣＳＩ控制器，直到收到微控制器產(chǎn)生的一個(gè)中斷。在運(yùn)行狀態(tài)，外部微處理器可以操作郵箱寄存器但不能操作通用功能寄存器。當(dāng)微控制器已執(zhí)行完當(dāng)前指令又沒有接收到新的指令時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入空閑狀態(tài)以等待新的命令。

２、ＦＡＳ４６６的軟件解決方案

基于ＦＡＳ４６６的系統(tǒng)可通過外部微處理器、ＦＡＳ４６６微控制器和ＳＣＳＩ控制器的協(xié)調(diào)工作來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。根據(jù)ＦＡＳ４６６的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理分析，這里給出如圖４所示的基于ＦＡＳ４６６的系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)流程。其軟件工作過程如下：

（１）外部微處理器初始化ＦＡＳ４６６微控制器和ＳＣＳＩ控制器。（ＦＡＳ４６６微控制器初始化包括裝載和執(zhí)行它的固件）。

（２）ＦＡＳ４６６微控制器允許ＳＣＳＩ控制器對(duì)ＳＣＳＩ總線選擇隊(duì)列的響應(yīng)。

（３）外部微處理器寫一個(gè)ＳＣＳＩ操作命令給外部命令／設(shè)置郵箱寄存器，然后設(shè)置ＬｏａｄＴＢＳ位（外部 ＴＢＳ寄存器６位），以通知ＦＡＳ４６６微控制器有一個(gè)未響應(yīng)請(qǐng)求。

（４）ＦＡＳ４６６位控制器檢查 ＬｏａｄＴＢＳ位，確認(rèn)請(qǐng)求。

（５）ＦＡＳ４６６禁止ＳＣＳＩ控制器對(duì)ＳＣＳＩ總線選擇和重選事件的響應(yīng)。

（６）ＦＡＳ４６６微控制器復(fù)制外部命令／設(shè)置寄存器的內(nèi)容給存儲(chǔ)器，清除ＬｏａｄＴＢＳ位，以允許外部微處理器在等待一個(gè)微控制器中斷前設(shè)置下一個(gè)命令。

（７）ＦＡＳ４６６微控制器向ＳＣＳＩ控制器發(fā)送命令（一般用ＥＸＥＣ ＃ｋ），ＳＣＳＩ控制器執(zhí)行命令并在命令完成后產(chǎn)生一個(gè)中斷。

（８）ＦＡＳ４６６微控制器進(jìn)行中斷處理得到ＳＣＳＩ操作的邏輯結(jié)果后，產(chǎn)生一個(gè)中斷給外部微處理器。

（９）外部微處理器根據(jù)命令的執(zhí)行情況進(jìn)行中斷處理。

重復(fù)執(zhí)行（２）～（９）步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的連續(xù)操作。

ＤＭＡ傳輸是基于ＦＡＳ４６６系統(tǒng)的主要工作。在傳輸數(shù)據(jù)量確定的情況下，數(shù)據(jù)量可由編程時(shí)寫入的塊數(shù)計(jì)數(shù)器和塊大小寄存器中的值決定。但由于實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的傳輸數(shù)據(jù)量存在不確定性，在設(shè)計(jì)ＤＭＡ數(shù)據(jù)傳輸程序時(shí)，應(yīng)使ＳＣＳＩ ＦＩＦＯ中始終充滿數(shù)據(jù)，或使ＤＭＡ控制器或ＳＣＳＩ控制器持續(xù)讀寫ＳＣ-ＳＩ ＦＩＦＯ，以使ＳＣＳＩ總線上的數(shù)據(jù)傳輸不受啟動(dòng)器或目標(biāo)器的限制。ＦＩＦＯ的空、滿門限可由外部微處理器在初始化時(shí)通過編程設(shè)定。

在傳輸數(shù)據(jù)量不確定的情況下，從外部ＤＭＡ控制器接收數(shù)據(jù)的子程序如圖５所示。ＳＣＳＩ控制器接收到傳輸命令后即可參與總線仲裁以獲得總線的控制權(quán)，而外部微處理器則通過設(shè)置ＲＤＡＴＡ位來決定數(shù)據(jù)傳送的方向；在ＦＩＦＯ為空而數(shù)據(jù)接收未完成時(shí)，ＳＣＳＩ控制器進(jìn)行一次空操作，等待數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)量的不確定性可能使得命令完成后ＦＩＦＯ中仍殘留數(shù)據(jù)，此時(shí)可以選擇暫停傳輸進(jìn)入ＥＸＦＥＲ（表示數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤）中斷并清空ＦＩＦＯ，也可使其它處理回到傳輸起點(diǎn)，或者忽略錯(cuò)誤直接回到傳輸起點(diǎn)。數(shù)據(jù)傳送完畢可以選擇是否斷開與ＳＣＳＩ總線的連接。若選擇斷開則進(jìn)入ＸＦＥＲＣＭＰＤＳＣ（表示傳輸完成并與ＳＣＳＩ總線斷開）中斷，以釋放總線的控制權(quán)而讓其它的命令使用總線，此時(shí)，如果想要進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)傳輸，必須重新獲得總線控制權(quán)。若選擇不斷開總線則進(jìn)入ＸＦＥＲＣＭＰＮＯＤＳＣ（表示傳輸完成且不與ＳＣＳＩ總線斷開）中斷，可直接回到數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠瘘c(diǎn)。在所有正常情況下，ＦＡＳ４６６都將循環(huán)回到數(shù)據(jù)傳輸起點(diǎn)，以便進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸。

３、應(yīng)用實(shí)例

基于ＦＡＳ４６６的視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像的無壓縮海量存儲(chǔ)，該系統(tǒng)硬件框圖如圖６所示。圖中，ＤＳＰ接收到開拍信號(hào)后將進(jìn)行系統(tǒng)初始化，ＣＣＤ相機(jī)可將原始圖像信號(hào)經(jīng)過視頻采集卡轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)暫存到緩沖器中，并在ＤＭＡ控制器的作用下，以ＤＭＡ方式傳送給ＦＡＳ４６６，數(shù)據(jù)在ＦＡＳ４６６的控制下存入ＳＣＳＩ硬盤組。這樣，在硬件基礎(chǔ)上，就可通過本文所述的軟件解決方案實(shí)現(xiàn)視頻圖像的持續(xù)高速存儲(chǔ)。

４、軟件設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

在設(shè)計(jì)基于ＦＡＳ４６６的系統(tǒng)軟件時(shí)，應(yīng)注意以下一些問題：

（１）在ＦＡＳ４６６支持的多種處理器中，每個(gè)外部微處理器類型都有其相應(yīng)的代碼，因此必須通過芯片配置寄存器選擇正確的微處理器模式。如ＴＭＳ３２０Ｃ５Ｘ系列ＤＳＰ的模式選擇值就應(yīng)為３Ｆｈ。

（２）ＳＣＳＩ控制器并不允許命令堆棧，因此，每次只能接收和執(zhí)行一個(gè)命令。

（３）ＤＭＡ傳輸時(shí)，塊大小不能為奇數(shù)。

（４）非法寫入命令寄存器的命令將引起非法命令中斷，并設(shè)置非法命令錯(cuò)誤位（錯(cuò)誤中斷狀態(tài)寄存器第２位），因此，在將其它命令寫到命令寄存器前，這個(gè)中斷必須得到處理。

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