（电路与系统专业论文）基于Intel+XScale的IDE硬盘驱动的研究和实现[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘型 基于in t e ix s c aie 的id e 硬盘驱动的研究和实现 摘要 随着个人多姒体廊川的发展，消费者对便携式数字电f 产品中存储窬觜的要求越米越高，而现有 的产品中的存储介质人多为基_ 、r 导体的商川闪存。虽然闪存芯片具有体积小功耗低的的优点，但存 储容苗少、存储密度低、单佗存储成本高的缺点使其已不能满足产品中的高级麻h j 对人容昔存储设备 的要求。而摹j 。磁介质的i d e 惶龠实际何密度的迅速递增使得硬盘的成本不变而体私 减小单何存 储成本人幅度降低，从而使得采川i d e 馈龠作为便携式殴备的存储媒介成为可能。在个人多姒体应h j 设备中采心d e 埂盎具有存储容草人、传输数据谜度快的优点，能够很女，地解决动则g b 级的人容 量存储问题，满足了多姚体廊川的高求。 本论文以便携式多姒体中一t , ( p o r t a b l em u l t i m e i d ac e n t e r ，p m c ) 为麻h j 背景，任i n t e x s c a l e 平 台上以嵌入式l i n u x 为揲作系统，研究实现了i d e 馊枯作为嵌入式系统中土要存储介质的方案，论文的 土要内容包括： 1 、研究了觚a 协议结合具体的h i t a c h i1 8 英寸2 0 gi d e 埂龠详细分析了嫂龠的物理结构、 电气接口、i d e 命令、数据传输协议、数据传输时厅等7 f 关技术。 2 、分析当前i 流的嵌入式处理器p x a2 5 5 的特点，采川以c p l d 为辅助产生符合佃龠数据传输 要求的时序的方法，实现了硬鼎与处理器的便什近接办案。 3 、文章根据嵌入式l i n u x 块设备驱动的特点提山了针对p x a2 5 5 处理器的软竹方案，实现了坝 甜以p i o 年| jd m a 两种模j 传输数据升对这两种传输模式进行j ，比较年分析。针对d m a 模式提出相应的 优化方法，提高了f i 史盘数据传输的速度剌传输的稳定性。与此同时，针对多媒体视频橘放的特殊要求 研究和实现了保证视频解码的流畅件和系统一般操作动作的实时性的方法。 4 、为提供坝盘与p c 机进行数据交且的功能，文章分析了硬盘与u s b 2 0 、文1 | l = 系统之间的掏l 关系， 提出了绕开嵌入式l i n u x 的文什系统在u s b 2 0 羊i 厦盘之间直接进行数据通信的方法，使得u s b 2 0 和 文什系统在使h j 嫂鼎的问题上处 并列关系提高了p c 机访问硬稀的速度。同时在驱动中解讲了u s b 2 0 访问硬黼羊| l 文什系统访l u 】硬盘产生的冲突问题。 5 、由丁移动设备中电池电鼙有限，而硬椭耗能较高，课题研究硬盘的l b 源管理策略，提供了倾枯电源 管理的接口，解决了硬盘功耗的问题，减少了系统总体功耗。 6 、对埂 ； ：的驱动进行了详细的测试升对结果进行了分析。 课题实现了在基丁p x a 2 5 5 4 0 0 m h z 微处理器的便携式设备上以i d e 硬鼎作为主要的存储媒介，解 决了容量、速度、稳定性，功耗等问题。1 d e 倾衙必定能够在需要人容量数据存储p m c 廊川中得剑 广泛的使川。 关键词：便携式多媒体中心：嵌入式l i n u x ：i d e 硬楹：直接内存读取；x s c a l e ：p x a 2 5 5 a b s l r a c l r e s e a r c ha n d i m p l e m e n t o ft h ed r i v e ro fi d e h a r d d i s kb a s e do ni n t e lx s c a l ep l a t f o r m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp e r s o n a lm u l t i m e d i ad e v i c e m a s sm o m g ei sr e q u i r e di nt h o s ed e v i c e st os t o r e m i l l i o n so fd a t a s t o r a g eo fp r o d u c ta tp r e s e n ti sf l a s hw h i c hb a s e do ns e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y h o w e v e r , f l a s hc a f f ln o ts a t i s f yt h er e q u i r e m o n lo fm a s ss t o r a g ei nt h ea d v a n c ea p p l i c a t i o nb e c a m eo fi t sl o wc a p a b i l i t y ， l o wa t o r a g ed 即s i t ya n dh i g bc o s to fs t o r a g eu n i t ，t h o u g hi th a sa d v a n t a g e so fs m a l ls i z ea n dl o wp o w e r c o n s l o n e a st h ef a l l e np r i c e ，s h d n k e dv o ! u m ea n di m p r o v e dc a p a b i l i t y ，h a r dd i s ki sr e a d yt or e p l a c ef l a s h t ob e c o m et h em a i ns t o r a g ei ne m b e d d e ds y s t e m + i naw o r d ，h a r dd i s kh a sh u g ee a p a b i l i t ya n dh i g ht r a n s f e r s p e e d d e v e l o p m e n to f1 d eh a r dd i s ki ne m b e d d e ds y s t e mi sw o r t ho fr e s e a r c h i n g ，w h i c hb r i n g ss e n s eo f p r a c t i c a l i t y b a s e do nt h er e s e a r c ho fp o r t a b l em u l t i m e i d ac e n t e r ( p m c ) ，am e t h o df o rd r i v i n gi d eh a r dd i s kh a s e d o nh i t e lx s c a l e , u s i n gi d eh a r dd i s k i st h em a i ns t o r a g eo f e m b e d d e ds y s t e mi sp r e s e n t e d h a r d w a r ep l a t f o r mi n t h i sr e s e a r c hi sb a s e do nc p uo fp x a2 5 5a n do t h e rp e r i p h e r yh a r d w a r e o p e r a t i o ns y s t e mi se m b e d d e d l i n u x 2 4 1 9 h a r dd i s ki sh t c 4 2 4 0 2 0 f 7 a t o oo fh 1 t a c h 】t h em a i nr e s e a r c hf r u i t sa l es u m m a r i z e d 邪 f o l l o w s ： 1 i no r d e rt ok n o wa b o u tt h es t r u c t u r e ，e l e c t r i ci n t e r r a c e o o m m a n d a ，t r a n s f e rm o d ea n dt i m i n go fi d e h a r dd i s k a t ap r o t o c o li ss t u d i e dw j mt h eh e l po f h i t a c h lt r a v e l s t a rc 4 k 4 0 2 0h a r dd i s k 2 c i r c u i t sd e s i g nb g t w g a nc p ua n dh a r dd i s ki sp r e s e n t e db a s e do nt h ea n a l y s i so f h a r dd i s kt i m i n g 3 t h es o f t w a r em e t h o di sp r e s e n t e dt ot r a n s f e rd a t ab e t w e e nc p ua n dh a r dd i s ki np i oa n dd m am o d e ， a n di tp r e s e n t st h ew a y so fo p t i m i z i n gd m at r a n s f e rs p e e da n di m p r o v i n gt h es y s t e ms t a b i l i t y a tt h es a m e t i m e s t ok e e pt h ef l u e n c yo fd e c o d eo fv i d e of i l e sa n dt h el l i g hr e s p o n s i v i t yo fo t h e ro sc o n t r o l ，as p e c i a l m e t h o di sp r e s e n t e d 4 as p e c i a lm e t h o di ss u p p l i e df o rt h ei n t e r f a c et ou s b 2 0t ot r a n s f e rd a t ab c “v c e nh a r dd i s ka n dp c 5 t od e s c e n dt h eh i g l lp o w e rc o n s u m eo f h a r dd i s kap o w e rm a n a g e m e n tm e t h o di sp r e s e n t e d 6 t h es p e e da n dp o w e rt e s ti sp e r f o r m e da n dt h ea n a l y z i n gw o r ki sa l s od o n e n em e t h o df o rd r i v i n gi d eh a r dd i s kb a s e do ni n t e lx ! k ，m j n gi d eh a r dd i s k 豳t h em a i ns t o r a g eo f e m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nu s e di nt h ep m cp r o d u c t a f t e rt e s t e di np r a c t i c a la p p l i c a t i o n , r e s u l ts h o w st h a tt h i s m e t h o dh a st h ea d v a n t a g e si nc a p a b i l i t y ，s p e e d , s t a b i l i t y ，p o w e rc o n s u m e ，e t c i d eh a r dd i s kw o u l db eu s e di nt h e p m c w h i c h n e e d s i s s s t o r a g e w i d e l y k e yw o r d s ：p o r t a b l em u l t i m e i d ac e n t o r ：e m b e d d e dl i n u x ：i d eh a r dd i s k ：d i r e c tm e m o r y a c c e s s ； d m a ；x s c a l e ：p x a2 5 5 东南大学学位论文独创- 陛声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除，文r f l 特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示r 谢意。 研究生签名：塞亘塑日期：d 翌盈垒宴g 日 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交 学位论文的复印件和电子文挡，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。本人电子文挡的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内 容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：遂孕缮 导师签名：日期：之! 堑：三里 第一章j i高 第一章引言 1 1 嵌入式系统在个人娱乐应用上的发展 随着数字化移动设备需求的不断上升，嵌入式系统的商川日黼j “泛。嵌入式系统以应h 为中心、以 计算机技术为摹础，可通过剪裁其软硬什来适应系统在功能、可靠性、成本、体积、功幸；等各方面的严 格要求。嵌入式系统是将先进的r 导体技术、电子技术、计算机技术丰再行业的具体府川相结合厉的产 物，它是一个资金密集、技术密集、高度分敬、不断刨新的知识集成系统。从m p 3 剑医疗设备仪器，从 智能手机剑机顺盒，嵌入式系统的使h 遍及电信、医疗、电力以及金融、t b s 平| i 防火墙等多种行业。 在个人娱乐麻h j 上，从最仞的c d 捅放机，剑只能橘放有限音频格式的m p 3 橘放器、数字照相机、 摄像机、p d a ，雨剑现在的1 i 载娱乐终端利所谓的m p 4 等产品，都是典刑的嵌入式系统。 m p 4 原是m p e g - 4 的缩下；，m p 4 捕放器是便携式m p e g 一4 视频，音频的插放设备，现令国内的很多厂家 都把p m c 、p m p 等能捕放视频的随身数码产品统称为m p 4 。而p m p 与p h c 的恒别在丁：p m p 在麻h j 软什和 埂什配置上没有统一的标准，制造商可以臼 j 调配：p m c 则是同绕微软的操作系统，t 按统一的硬仆配 置开发的标准，p m c 制造商的门由度土要体现在麻 软什的选抒上。现任随着便携式视频捅放器产品的 增多，这种i 父别已经不人。 m p 4 作为学上视捌播放器，它不仅可以支持橘放绝人多数格式的音频和视频文什，还是兼具了照 摄录像年| l 电视仃日录捅功能，以及其他如游戏、电子l s 、兼做主机支持u ；| ：等功能。而随着、| 导体技 术和网络技术的发展术来的m p 4 麻该还具有电视信号接收功能，能够提供无线平有线网络接口，功能 具有多元化，可看作是具有特殊功能的掌上电脑，其普及样度将越来越高。根据权威机构预测，2 0 0 5 年仅在中国市场m p 4 发展速度将达剑3 1 0 左也，预计整体市场规模会突破1 0 亿元人k 币，而剑2 0 0 8 年m p 4 市场将突破1 0 0 亿元增k 速度惊人。 新一代m p 4 良女，的发展前景年 箭在的无限市场吸引r 众多厂商对该市场的抢 升对其投入了人 量的研发。国外如s o n y 公司推山j ，p s p 方案，i n t e l 推出的刚p 解决方案，而t i 公司的d m 3 2 0 方案目 前土要依靠其合作伙伴美国i n g e n i e n t 公司( w w i n g e n i e n t c ) 进行推j 一。国内目前进行p m p 方案 设计的公司也不少，如深圳市深视通科技开发有限公司( w w s s t v i s i o n c o m ) 采川s i g m a d e s i g u s 解决 方案，已经设计出了基丁s i g m a d e s i g n s8 5 1 1 处理器的成熟的p h p 解决方案，并制作了d e m o 。 幽1 1 1 某型号i m p 产品 东南人学倒! f j 学位论文 1 2 便携式移动存储方式的发展趋势 现有绝人多数便携式产品中的存储介质为商州闪存，闪存的分类一般有n a n d 、n o r 、d i n o r 、a n d 及p a n o 等多种技术架构”1 ，其中以n a n d 和n o r 絮构的使刚率蛀高。n a n df l a s h 存储单元面积相对较小， 布局简单，冈而i i 一据了成本卜的优势而hn a n d f l a s h 住多字的撩除速度莆l 丐入数据速度上快很多。 但是n a n df l a s h 是顺序访问的在读取数据述度上要慢丁n o rf i a s h ，且不能直接执行代码。而n o rf l a s h 则任代码的存储羊| l 执行方面有着一定的优势。这两类闪存各有优缺点，分别被麻州在不同的场台。总之， 闪存的体积小、功耗低，而且对丁5 1 2 m b 以r 存储容警而言成本相对较低这也是它在嵌入式系统中能 人姑被使川的土要原阗。 随着人们对便携式数字消费电子需求的上升产品的存储容茸也要求越来越人，特别是在多媒体麻 h j 上，各种格式的视频文什人小都丛数卣船级别，甚至剑6 b 级别。目前常_ 【 】的闪存人都还只是 1 2 8 m b ，2 5 6 m b 笛，席h | t - 嵌入式改备的容鼙就更小了，己不能满足产品中高级麻_ l 对人容耸存储的要求。 而且闪存是基丁t 导体技术，不管任何、r 导体i ：艺，更多存储容量都意味着更人的品圆面积，这等同丁 成本的线性增k r n 存储容鼙超出5 1 2 m b ，成本就人幅度增加，单何成本偏高”1 。从长远的系统角度 考虑这也是不利1 ：嵌入式系统的发展的。对消费者来说，m p 3 乖j 多；：! 1 5 体橘放器等设备的吸引力常常在 丁它们能够存储且方便存取的音乐、数据和视频内容的容茸。此外，由丁3 g 技术的发展使移动电话的 数据传输率变得更快，一些高级功能也需要于机有更人存储器，从伞球卫屉定位剑视频游戏，新型席_ 1 4 j 都要求移动设备有g b 级数据存储能力。存储弁耸人、单何价格相对闪存低、稳定性高，这些特点使得 硬黼逐渐n ：移动政器中蚀使h 。 硬盘磁存储媒介的实际忙密度以每年3 0 4 0 的速度增长而高度商业化屯子设备和机械结构的采 州使得这种增速得以保持，因此虽然提供的存储容革持续增加，但人容量驱动器的成本基本不会产生人 的变化”1 。目前，采瑚旋转式磁存储器( 1 8 英寸或史小) 的便携设备所达剑的容颦范罔在2 剑6 0 g b 之间 传统的p | c 硬盘鹱动器尺寸已缩小剑i 0 英寸嗣f0 8 5 英寸。从体积来看，旋转式磁存储设备方案可以同 商川闪存的尺寸相媲关。目前在便携设备中昂流行的闪存是s d 仁，其尺寸是3 2 m m x2 4 m m 3 ，2 m m ，而 小犁0 8 5 英寸硬盘在尺寸上可达剑与s d 相当，不会与便携式消费电子产品有限的空间要求相冲突”1 。 由丁埂黼传输数据的速度最少可达1 6 6 船s ，如果使h j 特殊的数据线则虽高可达1 3 3 b t b s ，而闪存 的数据传输速度远不能与其相比较。由丁具有很高的读写速度硬箍在管理人型多媒体文什方面比基 丁闪存的方案性能更蚶，例如一个1 0 分钟的电影片段( m p e g 一4y f i a 格式，2 0 0 鹏) 可以在l o 秒内弓入硬 盘，而传输速率为1 m b s 的闪存做同样的事情可能需要二分钟以上。在读m p e g 视频多媒体格式时，更 高的数据建率硐i 系统存储缓存使得硬煮能够在高丛9 5 的时间都处丁空闲状态，在数据访问上的时间竹 省有助丁降低总功耗。尽管也会有更新更快的闪存止在出现，但它们的价格比其较速度较慢的前一代产 品要高得多。冈此，使川埂 ；c 取代闪存作为便携式设备的存储媒介成为可能。 硬盘的接口类型复杂目前有i d e 、s c s i 、f i b r ec h a n n e l 、i e e e1 3 9 4 币lu s b 等多种类喇。遵循 a t a 接口协议的i d e 接口类型硬 ；| ：冈其实现技术成熟，价格便宜，而且性能良好，所以在p c 中得到了 非常j “泛的戍州。同时硬箍制造技术的发展使得i d e 硬盘体积减小，价格f 降稳定性提高。因此 使_ l ji d e 小硬盘作为移动设备中的存储介质已经具备了成熟的条什。 在个人多媒体麻设备中使刚i d e 小硬 ；c 存储多媒体文什，可解决闪存存储容耸小，传输数据速度 慢的问题，而且也没有明显的增加设备产品的体积相对使川闪存，满足便携式多媒体应h 对大容鼙小体 积的存储方式的需求。 1 3 国内外研究情况 嵌入式系统的硬件平台以微处理器为核心支持各种外用设备。因此，高档的嵌入式系统处理器除 了要求能够北常好地支持各种外设外，还应有着较高的速率和较低的功耗。目前，国际上各大公司均推 山不同的便携式个人多媒体中心的平台。比较成熟的解决方案三种：基t s i g m a d e s i g n s8 5 h 系列芯片 的解决方案、基了二t io i l 3 2 0i ) s p + a r m 处理器的解决方案和基丁：i n t e lp x a2 7 x 的解决方案，这三种解 2 第一辛j l高 认方案是口前的上流方案。上述儿种方案再有特点”： 1 、s i g m a d e s i g n s8 5 1 x 方案：s i g m a d e s i g n s8 5 1 x 处理器是目前性能最强、晟全而的专业解码芯片 采川烈核敬计，将2 0 0 m h z3 2 何r 1 s c 处理器丰m p e g 解码处理器集成r 单芯片上，在无需其它外同芯片 支持的情况r 。完成系统所需各种接口的提供、系统处理以及流畅的删av 9 、d i v xv 3 1 1 、d i v xv 4 x 羊5 x 、m p e g 一4 、m p e g 2 、m p e g 一1 等视频解码。其优点：单芯片，低成本，低功耗，硬核视频解码，视 频j 蔷放效果”。但缺点是无法播放网络视频格式r b l 、r m v b 笆 2 、t id m 3 2 0d s p + a r m 处理器的解决方案：利川d m 3 2 0 d s p 进行音视频编解码处理，a r m 处理器负 责系统处理及提供外同设备接口。与s i g a d e s i g n s 方案一样，t i 方案支持的姒体类删1 卜常丰富能支 持州v 、d i v xv 3 1 1 、d i v xv 4 x 和5 x 、m p e g 一4 、m p e g 一2 、m p e g l 筲。但由j 。t 1d m 3 2 0 为纯d s p 芯片 w 此必须配台a r m 处理器才能纲成完粘的解决方案，冈此在成本上并不贝各优势。其优点为支持的媒体 类刷丰富，编解码能力强；但缺点是必须配合a 删处理器，成本不i i i 优势，功耗较人：不支持网络视拗 格式酬、r m v b 。 3 、i n t e lp x a2 7 x 的解决方案：i n t e l 公司丁2 0 0 3 年底推出了性能虽为强劲的p x a2 7 x 嵌入式处 理器，昂高频率可返6 2 4 ) - i z 。作为一款性能及其强勘的嵌入式处理器配台嵌入式l i n u x 或w i n c e 操 作系统，p x a2 7 x 理论七可以支持任何媒体格式，井通过软什升级支持未来媒体格式。其优点是支持 目前所有的媒体类掣，可通过软什升级支持未米媒体类型：接口丰富，可支持s d 、m s 、c f 等；支持吊 人4 0 0 万象素摄像头：支持动态电源管理功耗低：缺点足成本高。 其他还有一些不太成熟的方案，如& l i d 公司的推山的基丁处理器a c h e m ya u l 2 0 0 的低功耗、高性 能的系统解诀方案，e 思 尔i m x 3 1 解决方案，凌日1 ( s u n p l u s ) 的s p c a 5 3 6 解决办案t 利浦( p h i l i p s ) 以p h i la p st r i m e d i a 为基础的参考殴计平台等都再有优缺点。各个供麻商的方案及其参考成本如r 表 1 1 ： 表1 1备家供应商的便携式多媒体中心方案及其参考成本 主芯片 总成本 供应商其他配置及备注 名称 价格( 美元) ( 美元) s i g m a e m 8 5 1 11 4 5二星2 ，2 2 寸t f t l c d 价格3 6 美元，1 8 寸2 0 g b 尔1 9 q d e s i g n s 芝硬黼，价格7 8 美元，须加p l c l l 2 f 6 7 5 ，m u x d e m u x ， a d c d a c ，a t a a t a p i 桥p m p 板 i c 平各电子元器 什 a m da u l 2 0 01 8带3 5 寸t f t l c d 平2 0 g b 硬 ； ：，采h jd d r 21 2 8 m b1 8 0 存储器平1 2 8 m bn o rf l a s h i n t e ip x a2 7 0 + 2 8 带3 5 寸t f t - l c d 和2 0 g b 硬 ； 方案2 2 0 p x a 2 7 0 0 6 e 思 尔i m x 3 12 2偏重丁智能手机的廊_ l j 1 9 0 凌目fs p e a 5 3 6 7 低端席川 8 0 z o r a nc o a c h 71 3土要h j 丁数码摄像机 1 3 0 i t t i 主婴微客户定制多媒体和无线通信麻川的d s p 产品 e 利浦p n l 5 0 01 6 1 7 0 在众多的便携式多盘1 1 l 体中心方案中，接入i d e 硬盘作为土要存储介质的方案主要有两种：使内部 带有i d e 控制器的处理器，如e h 8 5 1 l 、a u l 2 0 0 和i n t e l 的p x a2 7 0 处理器就带有1 d e 接口，但这种方 案存在价格偏高或处理器支持的媒体格式有限等缺陷；另外一种方案是在处理器外使h j 其他屯路控制， 实现i d e 的接口电路这种方案可在人多数处理器上实现。 1 4 课题提出的意义 随着个人多媒体麻_ h | 的发展，消费者对便携式数字电子产品中存储弈龄的要求越来越赢而现有的 东南人学f l ! j ! 卜位论土 产品中的存储介质人多为荩丁、r 导体的商j 闪存。丑然闪存芯h 具有体积小功耗低的的优点， n 存储容 量少存储密度低。单伉存储成本高的缺点使其已不能满足产品中的高级i j 4 j 对人存鼙存储没各的要求。 而基丁嵫介质的i d e 硬糯实际侮密度的迅速递增，使得慢衙的成本不变而体积减小，单忙存储成本人幅 度降低，从而使得采h ji d e 硬珊作为便携式改备的存储媒介成为可能。在个人多媒体麻h j 殴各中采h j i d e 埂盘，贝有存储容量人，传输数据述度快的优点，能够很女r 地解决动| i | l g b 级的人容苗存储问题 达到满足多媒体麻川的需求。 1 5 开发平台的选用 1 5 1 硬件平台的选择 本论文采h j 的是p x a2 5 5 嵌入式处理器，它是一种十分先进的嵌入式处理器，采j jx s c a l e 核心， 频率可达4 0 0 姗z ，有利丁加快多媒体处理的速度。它士要针对高性能的手持设备市场，支持视频流、 m p 3 、无线互联网存取以及其他边缘领先技术而这些技术可以人幅度提升使h j 该芯片的整机的整体性 能。在存储方面，缓存达6 4 l b 并支持s e c u r ed i g i t a l 和c o 口p a c l f a s h 技术同时攀合了内存控制 器、l c d 控制器和扩展控制器筲。在电源管理功能a 面，采h j 了独特的1 ，电技术，使得在保证c p u 性能 的情况r ，根据所执行的任务爿调1 ，它的耗电草，虽人限度地减少了改备的功耗。 p x a2 5 5 嵌入式处理器采川的是x s c a l e 絮构采川了x s c a l e 架构的处理器结台市场上某些有特殊 标准的产品，同时采川相关的成h 程序可使o d 韦u 造商控制外存储介质帚l 多姒体管理器的发展，从而 以更低成本生产手持式设备。而且这些装置具有延长l 乜池细寿命功能更利丁运行丰富的多姒体应川拌 序。另外 n t e l 的微型结构还可被高带宽的p c i 规范所利h j 这样可给内存控制器和j 嘲络接口提供一个 高辂台低能耗的i o 输出与网络传输。x s c a l e 核心的优点如f ： 1 、| = 作情况：在它的支线口标缓冲区中每个条h 都包含一个支线指令地 ，而支线指令则和目 标地址联合起来，这样就得到了支线指令的一个历史记录。当历史记录被记录到i 4 状态时，支线目标 缓冲区就可通过1 5 个协助处理器激活或关闭。如果支线的指令住支线目标缓冲区中被选中，则指令会 在支线目标的地址上被引出，在任何情况r ，历史记录都会自动升级。 2 、高速指令缓存( - c a c h e ) ：包含高利h 率的多重码片段或全部拌序，红核心频率允订情况r 对核心进行指令存取。而数据高速缓存( d - c a c h e ) 可以包含高利j l 率的数据，如布寻表年ij 过滤系数。 x s c a l e 可以快速地响应止常的i r q 雨if i q 中断请求。处理器界面使川3 2 位总线，它支持后者的紧密联 合_ 手| j 平稳远行，还可支持多条指令同时运行。 3 、容错性能：当一个土机系统上的x s c a l e 某一部分在运行科序山错时，就可以允许容错单竹的应 h j 牲序运行井消除错误它可允许容错样序发现错误，并终i t 其继续运行。容错科序运行后会出现指令 中断、数据中断、稃序中断、外部除错中断等现象。如果在一次正常运行中突然停i t ，容错廊_ l i j j ! ! l 序可 以白动检卉平修改系统核心的状态。然后，容错麻川样序会重新自动运行。 4 、发展和未来：基丁x s c a l e 技术开发的微处理器，可川丁手机、便携式终端( p d a ) 、网络存储殴 备、骨干网( b a c k b o n e ) 路由器等。该微处理器架构经过专fj 设计，核心采_ l j 了英特尔先进的0 1 8 i s l ：艺技术制造。它具备低功耗特性，适川范嗣从0 1 州1 佣。同时，它的时钟1 ：佧频率将接近1 g h z 。 x s c a l e 与s t r o n g a l 瑚相比，可人幅降低i ：作电只乏升且获得更高的性能。贝体来讲，在目前的s t r o n g a 删 中，在1 5 vf 可以获得1 6 6 协t z 的i ：作频率，在2 o vf 可以获得2 3 3 1 1 h z 的l 竹频率；而采川x s c a l e 后，在0 7 5 v 时i ：作频率达剑1 5 0 m h z ，在1 0 v 时l ：作频率可以达到4 0 0 m l _ i z 在l 6 5 vfi 作频率! i i i j 可 高达8 0 0 删z 。当在0 7 5 vf 以5 0 m h z 的i ：作频率运行时，其功耗相当丁：川一只5 号电池连续j 作一个 星期。虽币，超低功率与高性能的组合使英特尔x s c a l e 都常适h j 丁互联网嫉入设备，这些产品包括网 络和i o 处理器。网络基础设施制造商可使h jx s c a l e 核心来提高新代路由器和交换机的密度、编程 能力和处理能力。 综上所述，该采用了x s c a l e 构架的p x a2 5 5 处理器主频达4 0 嗍z 加强了微处理器速度的管理 加快了多媒体处理的速度并支持8 0 2 1 1 b 及监牙技术、1 j s b 接口能够支持多种多媒体格式的视频流， 4 第一蕈r j li ， m p 3 、无线_ 联网存取以及其他边缘领先技术。在嵌入式的高档处理器市场中- 一7 r 了极重要的地何。核 心采川i n t e l 先进的0 1 8u i 艺技术制造，具有电源管理功能，这个功能可以根据处理器所执 j 的任 务米凋1 ，它的耗电鼙具备了照好的低功耗特性。此外，p x a2 5 5 的平台较p x a2 7 x 平台的成本低。但 这个方案的缺点是支持人尺寸幽象的编解码，如m p e g 一2 等效果较著。 按照系统实际的要求选扦了适合的埂什平台后再结合系统其他功能，可得山基本的系统埂什框1 划 如f 幽1 2 。系统使h jx s c a l ep x a2 5 5 作为处理器，处理器的频率调警为4 0 0 m h z 以6 4 m b 的s d r a m 为内存使2 m b 的闪存为系统启动芯片，主要存储介质为2 0 g b 硬盘，硬盘与p c 通信使h ju s b 2 0 方 式，显示部分使j j3 5 英寸q v g at f t 触摸屏，系统内置锂聚合物叱池供电。 图1 2 系统基本埂什框幽 此外，在本课题启动之前，教研室己对基丁p x a2 5 5 微处理器的开发平台进行了人姑的研究对基 丁该平台作产品开发具有丰富的经验。选择在既有的平台上仟进一步的研究开发，有利丁缩短产品开发 周 i 】，减少开发成本，增加产品的稳定性。 1 5 2 软件平台的选择 从八十年代起，国际上就有一些i t 纽织、公司，开始进行商j 4 嵌入式系统和专h j 操作系统的研发。 这其中涌现了一些著名的嵌入式系统： w i n d o w sc e ：m i c r o s o f tw i n d o w sc e 是从整体上为有限资源的平台设计的多线样、完粘优先权、 多任务的操佧系统。它的模块化设计允许它对丁从掌上电脑剑专h j 的i 业控制器的h j 户电子设备进行定 制。操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k 的r o m 。 l i n u x ：是以核心为基础的、完全内存保护、多任务多进程的符台标准规范的3 2 位( 在6 4 何c p 【i 上是6 4 位) 操作系统支持r 泛的计算机硬件，包括x 8 6 a l p h a ，s p a r c ，m i p s ，p p c ，a r m ，n e c ，m o t o r o l a 等现有的人部分蕊片，可以说是现今覆盖面最广的一体化内核。而且源码全部公开，任何人可以修改并 在g n u 通川公共许可证( g n ug e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) f 发行，开发人员可以方便对操作系统进行定制。 同时由丁有g p l 的控制，开发的尔两人都相互兼容。此外l i n u x 内核还支持驱动程序模块静态编译在内 核中，也支持在内核运行后按照需要动态安装，使驱动的设计、调试、实现和发布都人人简化。 v x w o r k s ：是目前嵌入式系统领域中使_ h j 最r 泛、市场1 1 i 有率虽高的系统。它支持多种处理器如 x 8 6 、i 9 6 0 、s u ns p a r e 、m o t o r o l am c 6 8 x x x 、m i p sr x 0 0 0 、p o w e rp c 等等。人多数的v x w o r k sa p i 是 专有的。采_ l jg n u 的编译和调试器。 o n x ：是一个实时的、可扩充的操作系统它部分遵循i o s i x 相关标准，如：p o s i x 1 b 实时扩展。 它提供了一个很小的微内核以及一些可选的配台进程。其内核仅提供4 种服务：进程调度、进拌问通信、 底层网络通信和中断处理其进程在独立的地址空间运行。所有其它0 s 服务，都实现为协作的h j 户进 程，冈此q n x 内核1 | 常小巧( q n x 4 x 人约为1 2 k b ) 而且运行速度极快。这个灵活的结构可以使h j 户根据 5 东南人学坝l j 学位论文 实际的需求将系统配置成微小的嵌入式操作系统或是包括儿白个处理器的超级虚拟机操仃系统。 p a l mo s ：3 c o m 公司的p a l mo s 在p d a 市场上i i 有很人的市场份额，它有开放的操作系统麻拌序 接口( a p i ) ，开发商可以根据需要门行开发所需要的j 每h j 科序。 o s 一9 ：m i c r o w a v e 的o s 一9 是为微处理器的犬键实时任务而设计的操作系统，厂泛府h j 丁高科技产 品中，包括消费电子产品、f 。业白动化、无线通讯产晶、医疗仪器、数字电视多媒体设备。它提供了 很好的安全性和稀错性。与其他的嵌入式系统相比，它的灵活性利可升级性竹常突出。 目前，由丁l i n u x 自身具有可裁剪、可定制诸多优势，吸引了许多开发商的目光，在各种细分的嵌 入专h j 领域内，l i n u x 将人有h 武之地。据有关数据显示，剑2 0 0 5 年第二季度，l i n u x 在智能手机中的 市场份额己经逃剑3 8 。这无疑将对操作系统保持己久的“二足鼎立”局面造成新的冲击”1 。 课题选h j 嵌入式l j n u x 作为软什开发平台土要原冈是它可麻h j 丁多种硬什平台，l i n u x 已经被移 植剑多种埂e l ：平台，这对受开销、时问限制的研究与开发项目是根有吸引力的，内核原掣可以在标准平 台上开发然后移植剑具体的埂什上，加快了软什与硬什的开发过科。在开发的过样中l i n u x 的高度模 块化使添加部件1 | 常容易。从开发资金方面考虑，l i n u x 属丁免费的资源开发成本低，而且其源代码 公开，系统j 二的麻h j 软仆移植方便，网上的资源丰富。此外冈为经过多方面的维护l i n u x 已逐渐发 展成熟只有稳定、高敛、易定制、易裁减等众多优点，适合作为本课题的软什平台。 课题以操作系统为l i n u x2 4 1 9 川户界面使i o t o p j a1 7 实现音频、视步负、幽片浏览、游戏、 系统管理等功能。 1 6 课题主要工作 本课题的主要l ：作是研究如何基t - i n t e x s c a l e 架构实现i d e 硬盘的驱动。实现以i d e 硬盘为嵌入式 系统中的主要存储介质。课题采i p ) 【a2 5 54 0 0 删z 微处理器，以嵌入式l i n u x 2 4 1 9 为操作系统，使用的硬 盘为h i t a c h i1 8 英寸2 0 gi d e 硬盘。课题的具体研究i ：作如r ： 1 、研究和学习i d e 硬盘遵循的a t a 协议，并结合具体的h i t a c h i 硬盘，了解a t a 接口所规定的电 气迕接、命令方式、硬什时序等。 2 、熟悉p x a2 5 54 0 0 删z 微处理器的l 作特性和其中的删a 控制器j ：作原理，结合c p l d 和硬盘物理接 口，研究c p u 和硬盘之间的物理连接，搭建硬件平台。 3 、熟悉嵌入式l i n u x 系统及其块设备驱动，主要完成硬盘驱动与文件系统的各个接口包括了i 殳备的 打开关闭，p i o 和蹦 两种数据传输方式等。 4 、研究和提出了硬柱与u s b 2 0 的接口方式，解决了文件系统接口和与u s b 2 0 接口在调h | 便箍驱动读写 6 抬一帝0 l吉 数据且斥的矛盾。 5 、i i 】f 究馊盘功耗特性研究硬椭的l 乜游管理方案，提山了降低硬盘功耗的方法。 6 、测试驱动的稳定性平| | i 睫需传输数据的述度，分析和研究了r 提高传输速度的方法，并根据视频橘放的特 点。提山优化的方案减少了硬盘传输数据对c p u 的i ih j 时间。 7 、总结j ，” 究平| l 实现硬盘驱动中存在f l 勺问题提山了有待改进的地方。 1 7 论文主要结构 根据课题涉及的主要研究方向本论文的结构安排如f ： 第一章是论文的引言部分。介纠，嵌入式系统在个人娱乐廊川方面的发展趋势，分析了便携式设备 中存储容草的发展需求，井研究了国内外个人娱乐中心的系统软硬什平台研究情况，提山了在p x a2 5 5 嵌入式处理器上运川嵌入式l i n u x 操作系统，以i d e 小便盘作为土要存储介质的p m c 方案。 第二章为a t f i 协议概述。简介了a t a 协议的发展历史、物理接口、数据传输方式、命令方式以及各 个数据传输的子协议等。 第二章是基丁p x a2 5 5 的硬= | i f 便仆实现方案。首先介 h 了课题所在的p x a2 5 5 搭建的硬盘平台，然 后分析垣甜和p x a2 5 5 中的2 9 1 a 控制器的信号特征提出了使h jc p l d 作为信号转换，连接蚀衙与c p u 的使什连接方案。昂后详细描述了该硬仆方案的实现。 第四章为i d e 使稀驱动的软什实现方案。首先介纠了课题使州的嵌入式l i n u x 的软什平台以及项 目的软仆开发环境。然后以对文什系统的接口为线索，详细描述了硬盘作为块殴备在l i n u x 中驱动的实 现，其中着