来源：单片机及嵌入式系统应用   作者：西安电子科技大学 于明喆 李晖 申婷

摘  要:为实现高速、大容量的数据存储，提出一种基于硬盘Ultra DMA传输模式的高性价比解决方案。详细介绍Nios嵌入式系统的整体构架和各个子模块的功能；提出一种在不改变传输频率条件下，通过使用寄存嚣组对不同时钟沿数据进行锁存，以数据带宽的扩展为代价，完成IDE总线上的双边数据沿锁存与系统内部的单边数据沿锁存之间的传输模式转换；给出具体的系统读／写操作的工作流程和相关软件实现。

关键词:Ultra DMA Nios 硬盘

引 言

随着消费类电子，如MP3、3G手机、视频终端以及宽带无线网络的普及，对大容量存储设备的需求越来越强烈。传统的SRAM、SDRAM以及DDR SDRAM等存储设备的价格与容量比，远远比硬盘高；光存储设备虽然更加廉价，但是在便携性上却远逊于硬盘解决方案。现在硬盘厂商提供了各种适用于不同用途的廉价海量存储设备，如1 in(英寸)的微硬盘可以应用于各种小巧的便携设备中，2．5in硬盘可以应用于笔记本和移动存储中，3．5in硬盘可以应用于个人PC和工业自动化中等等。

目前，硬盘支持的最为广泛的IDE接口协议中，规定了PIO、DMA以及Ultra DMA三种数据传输模式，其传输速率PIO<多字DMA<Ultra DMA，如表1所列。随着各种多媒体应用的广泛普及，各种设备不但要求拥有海量存储能力，在完成各种实时业务时对数据的传输速率也提出了严格的要求。

现阶段的设计研究主要集中于单边沿锁存数据的PIO和DMA传输模式。大多数设计主要用PIO模式完成控制命令的写入和读取操作，采用DMA数据传输模式进行直接内存读取操作，提高数据传输的速率。如果在相同系统中使用Ultra DMA数据传输模式，则可以在不提高系统时钟频率的基础上，将系统数据传输速率提高l倍，极大地改善了系统性能，而不需要付出更多的硬件资源。因而硬盘的Ultra DMA数据传输方式在工业自动化、Internet网络、消费类电子和各种嵌入式系统中的需求会不断增加，有着很好的商业前景。

1 Nios系统介绍

该设计是在Altera公司推出的Nios嵌入式系统的平台上，设计可以通过Ultra DMA数据传输方式进行高速硬盘读写的接口模块，并开发出相应的IP核。

1.1 Nios系统结构

Nios嵌入式处理器系统通常由N1os处理器、Avalon交换结构总线和各种外围设备(存储、接口及功能模块)的IP核三部分构成。Altera的SOPC Builder系统开发工具可以自动生成这些组件以及连接它们的总线。

Nios处理器是32位结构可配置并包含五级流水线的通用RISC微处理器，采用改进的哈佛存储器结构；处理器带有分离的数据和程序存储器总线控制，具备高速缓存、中断处理功能。与传统处理器相比，Nios指令系统可通过自定义指令和标准处理器选项，利用硬件来明显提高系统性能。

Avalon交换结构总线是Altera开发的用于Nios嵌入式处理器的参数化接口总线，由l组预定义的信号组成，用这些信号可以连接1个或多个IP模块。Altera的S0PC Builder系统开发工具自动地产生Avalon交换结构总线逻辑，其实现只需要极少的FPGA资源，提供完全同步的操作。

Nios嵌入式处理器系统中的各种存储模块、接口模块和功能模块等都在Altera的标准外围设备库中以IP核的方式提供使用，或是由用户自行设计添加到库中，以IP模块的方式在系统中复用。

实现硬盘高速访问功能模块的设计，实际上是在设计一个完整的IP模块，再在Altera提供的SOPC Builder开发环境的设备库中集成该IP核，以达到设计的目的。

1.2采用Nlos软核处理器构建系统的原因

①与其他的实现方式相比有着更好的性能价格比。最常见的硬盘读取控制和数据传输方式是通过单片机或是DSP来实现的，使用单片机或DSP中的PIO接口可以很方便地完成单边沿锁存数据的硬盘PIO和DMA数据传输方式，但在实现双边沿锁存数据的Ultra DMA传输方式时，必须在单片机和DSP芯片外添加额外的FPGA芯片，完成Ultra DMA双边沿锁存数据到单边沿锁存数据的转换，增加了系统设计的成本和复杂性。而采用Nios软核处理器完成与硬盘的Ultra DMA传输方式时，不需要添加任何额外的芯片，仅使用FPGA内的其他资源就可以方便地实现双边沿到单边沿的转换工作。

②与传统的单片机或DSP实现方式相比，Nios嵌入式系统的设计与实现更加简单。从性能上来说，Nios软核处理器与ARM、Intel等的CPU处于同一级别，都能够满足设计的需要，即使是复杂逻辑系统的设计也可以在一片Cyclone或是StratiX芯片上实现全部功能。而且通过使用Altera公司提供的SOPC Builder开发工具