硬盘驱动器采用外部总线接口与CPLD连接的优缺点分析

硬盘驱动器采用外部总线接口与CPLD连接的优缺点分析

通常，硬盘驱动器并不需要支持所有的模式。目前，1.8英寸硬盘能够支持所有的模式，1英寸硬盘能支持到UDMA4模式。考虑到便携消费类市场对尺寸和功耗的要求，因此本文侧重于讨论1.8英寸或更小尺寸的硬盘驱动器。这些微硬盘的实际数据吞吐量远小于他们的理论值。硬盘的直径直接影响了数据传输率。例如，1英寸硬盘驱动器比2.5英寸硬盘驱动器要慢许多，这是因为硬盘外直径变小，意味着外围磁轨的最快线速度也将同样变小。

图2 局部总线接口和QuickLogic IDE控制：采用一个外部总线接口或GPIO端口和外部硬件中的专用QuickLogic IDE控制器来加速对硬盘驱动器(HDD)的读写。

外部总线接口与CPLD

优点

本方案只需要控制信号和主处理器的部分寻址信号与CPLD连接，来产生硬盘驱动器所需的接口信号。当系统中存在其他设备共享数据总线时，还需要额外的分离逻辑部件将总线与系统的其他部分分离开来。从硬件角度来讲，这个方案非常简单、直接而且提供了应用所需的存储。然而，系统设计是需要考虑数据吞吐量的可能瓶颈和对主处理器的影响。若要设计一个性价比高和有竞争力的解决方案，需要满足以下两条件中至少一个：硬盘读写的数据中不包括极大数量的数据文件或丰富的多媒体内容;性能和数据吞吐量不是系统的关键性要求。

缺点

当处理器负责产生和控制ATA时序的时候，它将浪费额外的周期来处理时序和数据移动。系统中，性能瓶颈的多少取决于是否存在DMA控制器，以及主处理器在外部总线接口和主内存之间的数据传输效率。如果再加上微处理器在每次数据读写中对来自硬盘驱动器的IO-RDY信号反应的等待时间，将形成一个很严重的性能瓶颈。由于本方案直接与每个驱动器相关的任务挂钩，因此对CPU占用率产生了很大的影响。主CPU的绝大多数时间将被用来为硬盘服务，而不是执行与应用相关的任务。实际应用中，数据传输的最大速率请参见表1。

外部总线接口和QuickLogic IDE控制器

优点

在数据扇区准备好后，再调用中断机制，这使得系统可以实现比轮流检测机制更好的性能。与中断机制不同，轮流检测在增加了软件投入的同时也降低了系统的性能。

图3 采用专用的QuickLogic IDE与SDRAM控制：通过对主存储器的直接存取，采用外部硬件中专用的QuickLogic IDE与SDRAM控制器来加速硬盘驱动器的读写速率。

缺点

本硬件方案既简单又直接，但设计师需要考虑与主微处理器架构和等待时间相关的数据吞吐量的潜在瓶颈。因此必须认真考虑平台的系统性能。例如，在便携式媒体处理器中，有可能存在图像处理器共享同一个总线。因此，如果希望得到更高的性能，可以考虑采用Quick Logic IDE与SDRAM控制器设计方案。

QuickLogic IDE与SDRAM控制器

优点

缺点

用于低功耗应用领域的嵌入式处理器缺乏硬盘控制器，这使得系统设计师不得不自己解决连接性难题。支持下一代迷你硬盘的标准如CE-ATA(类似SDIO协议)和iVDR(基于串行ATA)可能进一步延缓在新SoC上硬盘驱动器控制器的出现。

QuickLogic提供了超低功耗的IDE桥接控制器作为配套芯片来连接低功耗嵌入式处理器，从而在提升系统性能的同时减少了硬盘存储相关作业的CPU占用率，最大限度地降低了功耗。QuickLogic提供的IDE桥接器可以在实际应用中实现10Mbps~13Mbps的数据传输速率。尤其是该产品基于QuickLogic 微瓦FPGA技术，这意味着移动平台系统设计师可以跨越基于传统SRAM的FPGA造成的功耗限制和CPLD性能的挑战。同时它还遵循正兴起的总线标准，并具有整合额外系统功能的能力。

人们越来越意识到，在便携式系统增加额外系统功能的同时，必须注意其对电池寿命的影响。系统性能和功耗的最佳搭配，是通过在基于可编程逻辑的配套设备中，用硬件方法实现大量的数学算法和数据通道管理，而不是在嵌入式处理器上用软件的方法来实现。QuickLogic配套芯片方法可以为系统设计师提供更多的工具来权衡系统性能和功耗，从而实现最佳搭配。

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