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SmartMedia设计技术探微
 

【作者: 誠君】2002年08月05日 星期一

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SmartMedia卡是应用在可携式档案储存设备上的装置,例如:笔记型电脑、数位相机、PDA、MP3、IA、摄影机、录放影机、录放音机、电子乐器、传真机、印表机、扫瞄器、文字处理器、手持装置.....等数据处理设备。 (图一)此外,凡是需要可携式记忆体、版本升级或记忆体升级的设备,都可以采用它。


在技​​术应用上,SmartMedia Card、CompactFlash Card、Memory Stick、SecureDigital Card和MultiMedia Card都是属于PCMCIA或称作PC Card技术领域。目前市场上有销售所谓六合一(另再包含MicroDrive)读卡机,其内部就包含着可控制上述五种记忆卡的控制器(controller)。


《图一 SanDisk SmartMedia Card》
《图一 SanDisk SmartMedia Card》

SmartMedia技术介绍

SSFDC论坛(Solid State Floppy Disk Card Forum),早在1996年就开始制定SmartMedia技术标准。 SmartMedia(NAND FLASH)卡1.0版标准是在1999年5月正式公布;但是,连接SmartMedia卡和主机之间的SmartMedia介面标准却迟迟未正式公布。


最初,曾经以ISA介面和EPP并列埠介面来实现PC与NAND FLASH之间的DOS/FAT档案传收;现在则是遵照Toshiba公司在2000年7月1日所制定的「SmartMedia介面资料库(SmartMedia Interface Library;SMIL)」1.0版来设计SmartMedia控制晶片、软体或韧体,正式取代ISA或EPP介面。


SmartMedia卡1.0版标准包含四个独立规范:机构篇、电子篇、实体格式篇、逻辑格式篇。业者必须遵守这些规范,才能确保其产品可与其它厂牌的SmartMedia控制晶片互通。


SMIL标准制定

在早期,即使现在仍然有一些业者,自行以简单的电路设计NAND FLASH记忆卡销售,只要是使用PC Card ATA介面插槽,而主机(笔记型电脑)上有装设特制的档案转换软体或韧体,此记忆卡就可以发挥类似SmartMedia卡的功能。但是,现在这种记忆卡是无法取得SSFDC认证的,也无法和标准的SmartMedia控制晶片互通。这种作法,在SMIL尚未正式制定之前还行的通,但是现在就不行了。


如果SmartMedia卡标准是SmartMedia装置(device)的标准,那SMIL标准就是SmartMedia主机(host)的标准,如(图二)所示。 SMIL包含两个独立规范:软体篇和硬体篇。业者设计时,必须遵守这些规范,才能确保其产品可与其它厂牌的SmartMedia软体或硬体互通。


过去,在SMIL尚未正式公布之前,实现SmartMedia介面大概有软体/韧体、硬体、部份韧体和部份硬体等三种方法(图三),分述如下:


软体或韧体方法

因为SmartMedia是主机(host)与NAND FLASH之间的档案转换(file translation)技术,所以,可以直接在主机上装设档案转换软体或韧体,如图三下方所示,就能以串列( serial)方式与NAND FLASH通讯,而主机不需加装SmartMedia控制晶片。此种作法,对软体设计而言有其复杂度。这就是为什么后来的SMIL标准之软体篇会比硬体篇多出100页的原因;实际上,采用这种方法的设计难度比SMIL的软体篇还要难,因为SMIL软体是架在SMIL硬体之上,如图二所示,所以SMIL软体有SMIL暂存器可资应用。而这里所采用的完全是软体映射的技巧(纯软体),所以比较困难。


硬体方法

就是将档案转换技术以控制器硬体来实现,在主机上不需要装设软体,如(图三)上方所示。这种方法对SmartMedia介面卡制造商而言很简单,只要花钱买档案转换(FTL)控制器晶片,并将它嵌入到介面卡里面就行了,当然这是不符合SmartMedia卡1.0版标准的;但对晶片设计商而言,档案转换控制器的技术门槛虽然不会很高,但是如果此晶片的所有功能模组都要自行开发的话,仍然需要一段时间来研发。而且设计出来的晶片是属于特殊应用晶片(ASIC),其成本比较高,而市场效益并不大。


部份韧体和部份硬体方法

这个折衷方案是采用通用的微控制器(microcontroller)来取代既昂贵且又是特殊用途的档案转换控制器;另外需自行设计档案转换韧体,由微控制器来执行此韧体,以实现档案转换的功能。这种方法的成功关键,在于档案转换韧体的功能是否正确无误,这对没有任何软韧体开发经验的介面卡制造商而言,并非易事。


其实,SMIL的功能就是档案转换,只不过它具有软体架在硬体之上的特殊架构。现在,SMIL统一了上述三种作法,结束了业者「各自表述、自由发挥」的年代。 SMIL将对主机制造商带来一定的影响;但对遵守SmartMedia卡1.0版标准的记忆卡制造商而言,影响甚微。当然,对那些早期自行采用上述三种方法实现SmartMedia卡的业者而言,须要修改原有的设计,以符合SMIL标准,所以其冲击不小。



《图二 实现SmartMedia的方法》
《图二 实现SmartMedia的方法》

《图三 实现SmartMedia接口的三种方法》
《图三 实现SmartMedia接口的三种方法》
《图四 SmartMedia卡的接脚图》
《图四 SmartMedia卡的接脚图》

SmartMedia卡的脚位信号

作为一种新的通讯介面必须要设计简单、成本低,才会有经济效益,而SmartMedia卡就具有这样的优点。


(图四)及(表一)是SmartMedia卡的接脚图及脚位说明,SmartMedia使用一个8位元的多工汇流排来输入数据和位址信号,数据输出也是使用这个汇流排。这使得SmartMedia卡的接脚数目锐减,不管SmartMedia卡的容量有多大,其脚位永远都是22个。而控制SmartMedia卡的控制晶片架构,如(图五)所示,也就可以简化了。 SmartMedia卡的接脚信号和其功能分述如下:


1.数据输出入终端(D0-7)

位址、命令、数据的输出入通讯埠(I/O Port)。


2.命令锁存至动(Command Latch Enable;CLI)

此输入信号控制着命令至内部命令暂存器的路径,可将命令传到SmartMedia卡内部的命令暂存器中。在写入致动(WE)为上升缘时,若命令锁存致动为高值(high),则命令会被锁住,输出入通讯埠中的数据会被写入命令暂存器中。


3.位址锁存至动(Address Latch Enable;ALE )

此信号决定输入数据是写入内部位址暂存器或数据暂存器之中。


4.写入致动(Write Enable;WE)

将输入数据写入SmartMedia卡中。


5.读出致动(Read Enable;RE)

将输出入通讯埠中的数据,以串列方式输出。这个信号也称作输出致动(Output Enable;OE)。


6.介面卡致动(Card Enable;CE)

这等同于一般的「晶片选择(Chip Select;CS)」信号。当此信号为高值时,SmartMedia卡进入待命(standby)状态。


7.写入保护(Write Protect;WP)

强迫不准写入和清除(erase)。当瞬间功率增加时,写入保护信号必须为低值,才能使SmartMedia卡内部的高压产生器重置(reset),避免将数据写入FLASH中或清除FLASH中的数据。


8.预备/忙碌(Ready/Busy)

这是个开路汲极(open drain),可表示SmartMedia卡内部的作业情况。当在进行读出、写入、清除作业时,此接脚将会输出低值,代表忙碌状态;当前述作业结束时,此接脚将会输出高值,代表预备状态。


9.介面卡侦测(Card Detect;CD)

这是侦测SmartMedia卡用的信号,输出接地准位(ground level)。


10.低电压侦测(Low Voltage Detect)

侦测SmartMedia卡的工作电压。使用3.3V NAND FLASH时,它输出VCC;使用5V NAND FLASH时,它没有输出任何值;使用MASK ROM时,它输出VCC。


11.VCC与GND

前者系指供电压接脚,后者为接地脚。 (图六)是SmartMedia卡的内部架构,请千万不要与图四之SmartMedia SMIL控制器的内部架构混淆了。



《图五 SmartMedia SMIL控制器的架构》
《图五 SmartMedia SMIL控制器的架构》
《表一 SmartMedia卡的脚位说明》
《表一 SmartMedia卡的脚位说明》

《图六 SmartMedia卡内部架构》
《图六 SmartMedia卡内部架构》

《表二 SmartMedia控制器中的主要缓存器》
《表二 SmartMedia控制器中的主要缓存器》

Smart Media SMI控制器

Smart Media SMIL控制器是嵌入至主机系统中,它上面有SMIL驱动程式,这两者构成了主机与SmartMedia卡之间的桥梁。


SMIL控制器的主要暂存器数量有3个,分别是:数据暂存器、模式暂存器、状态暂存器,另外有两个可选择的(optional)暂存器:中断状态暂存器、中断遮蔽暂存器(interrupt mask register),如(表二)。 SMIL驱动程式撷取数据暂存器、模式暂存器、状态暂存器,来驱动SMIL控制器。分述这五个暂存器如下:


1.数据暂存器

数据暂存器是执行数据传输的可读写暂存器。依据主机系统,可以是8、16、32位元数据传输模式。


2.模式暂存器

模式暂存器是可写入的暂存器。设定数据暂存器的工作模式。模式设定命令是依照表三所示的规则来决定的。其中PCNT0/PCNT1是电压控制用的,PCNT1只有在单独控制电压时才能为"1",例如:开机、关机、退出抑制、退出启动、闭锁、开锁、更换供电压为3.3V或5V。每一个命令都有一个固定的8位元码,例如:待命命令为00h。


3.状态暂存器

状态暂存器是唯读的暂存器。储存SMIL控制器目前的状态资讯(status information),它共有8个位元,其意义分述如下:


  • ●忙碌(bit 7):代表SMI控制器目前的状态,0值是预备(ready),1值是忙碌(busy)。


  • ●模式(bit 6):代表SMIL控制器的供电模式,0值是3.3V,1值是5V。


  • ●bit 5固定为0。


  • ●供电(PwrOn,bit 4):代表电源是否有提供给SMIL控制器。当SmartMedia卡插入或重置(reset)时,会接上电源;当SmartMedia卡退出时,会切断电源。 0值是切断电源,1值是接上电源。


  • ●SmartMedia卡的状态改变(bit 3):代表SmartMedia卡正转换至另一个状态。实际上,它表示SmartMedia卡正在插入或退出中。当模式暂存器被写入后,此位元会被重置。电压状态和中断状态暂存器并不会影响到它。 1值表示SmartMedia卡的状态有改变,0值表示没有改变。


  • ●SmartMedia卡的存在(bit 2):1值表示SmartMedia卡已经插入,并启动备用;0值表示在插槽中,并没有SmartMedia卡存在。


  • ●退出请求(bit 1):当发出退出命令时,会出现中断,此位元值即代表此中断是否有产生。模式暂存器的PCNT1若被写入1时,此位元将被重置。中断状态暂存器并不会影响到它。 1值表示有退出请求,0值表示没有退出请求。


  • ●写入保护(bit 0):表示是否有写入保护封缄(seal)的存在。 1值表示有写入保护,0值表示可以写入(没有写入保护)。



2.中断状态暂存器

中断状态暂存器是可读写的暂存器。储存SMIL控制器目前的中断资讯,共有8个位元,其意义分述如下:


  • ●bit 4到bit 7固定为0。


  • ● 插入请求(bit 3):如果将SmartMedia卡插入插槽中,此位元值将为1。状态暂存器的bit 3若改变,此位元值将不为0。1值表示有插入请求,0值表示没有。


  • ●离开请求(bit 2):如果SmartMedia卡离开插槽,此位元值将为1。状态暂存器的bit 3若改变,此位元值将不为0。1值表示有离开请求,0值表示没有。


  • ●退出请求(bit 1):如果有退出中断产生,此位元值将为1。状态暂存器的bit 1若改变,此位元值将不为0。1值表示有退出请求,0值表示没有。


  • 預備請求,0值表示沒有。"●预备请求(bit 0):如果SmartMedia卡的预备/忙碌信号由低值转变成高值,此位元值将为1。1值表示有忙碌-预备请求,0值表示没有。



4.中断遮蔽暂存器:中断遮蔽(mask)暂存器是可读写的暂存器。储存SMIL控制器目前的可中断限制要件(interrupting prohibition information),它共有8个位元,其意义分述如下:

  • ●中断致动(bit 7):决定是否允许或禁止中断信号的产生,1值表示允许中断信号的产生,0值表示禁止。


  • ●插入请求遮蔽(bit 3):「遮蔽」就是使某个位元有效的意思。插入请求遮蔽值若为1,表示要让中断状态暂存器的插入请求位元值有效;若为0,表示无效。


  • ●离开请求遮蔽(bit 2):若为1,表示要让中断状态暂存器的离开请求位元值有效;若为0,表示无效。


  • ●退出请求遮蔽(bit 1):若为1,表示要让中断状态暂存器的退出请求位元值有效;若为0,表示无效。


  • ●预备请求遮蔽(bit 0):若为1,表示要让中断状态暂存器的预备请求位元值有效;若为0,表示无效。



(表四)是SmartMedia卡与SMIL控制器的接脚连接说明,(表五)是撷取SMIL控制器中之暂存器的方法,(表六)是SMIL控制器的接脚说明。主机最多可以控制4个SMIL控制器,控制器的选择是经由S0~S3和CE0~CE3输入信号决定,其条件为CE=(S0=CE0)且(S1=CE1)且(S2=CE2)且(S3=CE3),例如:S0=CE0=Vcc,且(S1=CE1)=(S2=CE2)=(S3=CE3)=低值,则连接到CE0和S0的SMIL控制器此时会被启动。


当要撷取SMIL控制器中之数据暂存器时,必须将命令选择信号(CSEL)和中断暂存器选择信号(IREG)设为低值,输出入方向则决定于-WR和-RD信号。 「-」代表低值致动(pull low active)。其余暂存器的撷取方法详见表五。


虽然SmartMedia技术有点复杂,但是,其硬体操作却很简单。其硬体的操作流程如下所述:



《表三 模式设定命令》
《表三 模式设定命令》
  • ●当主机系统撷取SmartMedia卡时,SmartMedia卡会被锁住(media-lock)。


  • ●当SmartMedia卡被锁住时,退出开关(eject switch)将会暂时失效。退出讯息或事件只交给主机系统。


  • ●当主机系统收到退出讯息,它将等完成目前的工作之后,释放SmartMedia卡使其不再被锁住,并执行退出命令。


  • ●如果SmartMedia卡没被锁住,则使用退出开关可以将SmartMedia卡退出。


  • ●如果SmartMedia卡不存在,则退出开关所传来的命令将被忽略。



SmartMedia卡的逻辑格式

SmartMedia 1.0版标准是使用DOS-FAT格式,而DOS-FAT格式具有三个重要参数:


1.CHS参数

DOS-FAT源自于硬碟和软碟,所以SmartMedia卡中的FLASH也同样具有磁柱(cylinders)或磁轨(tracks)、磁头(head)/磁轨、磁区(sector)/磁头,其中磁区是最基本的单位。以8MBYTES的SmartMedia卡为例,它有250个磁柱、每一个磁轨有4个磁头、每一个磁头有16个磁区,一个磁区有512bytes,所以总共有16,000(250*4*16)个磁区。


2.主要启动磁区(master boot sector)

它位于第一个磁区。 000h~1BDh是启动命令区,但是不被SmartMedia卡使用。此外,还有四个分割组态,一般而言,数据都是储存于第一个分割组态中,其它分割组态都没有被使用。


3.分割设定(partition setup)

每个分割都各自具有一个「分割启动磁区(partition boot sector)」,位于每个分割的最上方。档案配置表(File Allocation Table;FAT)、磁簇(cluster)大小、档案目录数量、和其它有关分割的设定资讯都储存在这里。分割启动磁区之后有档案配置表区域、根目录区域、和数据区域(data area)。


为了能让主机上的硬碟或软碟可以与SmartCard卡里的FLASH交换传送档案和目录,所以必须使用逻辑格式(logical format),有别于实体格式。逻辑格式是采用逻辑磁区号码来区分储存区域,而不是真正的实体位址。例如:8MBytes DOS-FAT的逻辑磁区号码是从0到15999,逻辑磁区0是主要启动磁区、逻辑磁区25是分割启动磁区、逻辑磁区26~28是FAT区域、逻辑磁区29~31是FAT的复制区域、逻辑磁区32~47是根目录区域、逻辑磁区48~15999是数据区域。每个区域都具有它们的出厂值,用户可以用软体去改变其预设值。例如:要储存Windows作业系统中的档案时,必须先将SmartMedia卡里的FLASH格式化为Windows的标准才行。


逻辑格式是使用磁簇单位大小、磁簇数量来计算逻辑格式化的容量(format capacity),例如:8Mbytes的SmartMedia卡,共可格式化为997个磁簇,其格式是DOS/12 bits FAT,磁簇单位大小为8K Bytes,所以共有7976 Kbytes的格式化容量,虽然还不到实体的容量值8Mbytes。此外,DOS格式下的目录数量是固定为256个。


当SmartMedia卡启动后,SMIL软体必须建立一个逻辑位址和实体位址的转换查看表(Look-up table),借此可将逻辑磁区的逻辑位址直接转换为实体位址,主机的应用程式只需利用逻辑位址就可以撷取SmartMedia卡里面的档案内容。


在SMIL 1.0版的软体标准中,附有SMIL软体原始码和说明,在此不再赘述。


结语

去年,国内制造DRAM记忆体的半导体厂商们,因DRAM价格的急剧下滑,而亏损惨重。但是,价格合理的FLASH却在网路通讯、嵌入式系统市场中持续成长。究其主要原因在于FLASH是属于系统整合应用技术,有一定的技术进入门槛,所以FLASH将来会衍生成客制化或朝特殊应用的领域发展,而与通用、简单的DRAM、SRAM有所区隔。


SmartMedia卡就是应用FLASH储存数据的电子商品,因为它需要整合软硬体技术,所以,在价格上比技术简单的DRAM、SRAM更加具有竞争力。而且只要业者保有完整的SmartMedia技术或其它诸如CompactFlash Card、Memory Stick、SecureDigital Card、MultiMedia Card的FLASH应用技术,就不用担心市场会削价倾销,造成严重亏损了。



《表四 SmartMedia卡与SMIL控制器的接脚连接说明》
《表四 SmartMedia卡与SMIL控制器的接脚连接说明》
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