摘  要:為實現高速、大容量的數據存儲，提出一種基于硬盤Ultra DMA傳輸模式的高性價比解決方案。詳細介紹Nios嵌入式系統的整體構架和各個子模塊的功能；提出一種在不改變傳輸頻率條件下，通過使用寄存囂組對不同時鐘沿數據進行鎖存，以數據帶寬的擴展為代價，完成IDE總線上的雙邊數據沿鎖存與系統內部的單邊數據沿鎖存之間的傳輸模式轉換；給出具體的系統讀／寫操作的工作流程和相關軟件實現。
關鍵詞:Ultra DMA Nios 硬盤

引 言
    隨著消費類電子，如MP3、3G手機、視頻終端以及寬帶無線網絡的普及，對大容量存儲設備的需求越來越強烈。傳統的SRAM、SDRAM以及DDR SDRAM等存儲設備的價格與容量比，遠遠比硬盤高；光存儲設備雖然更加廉價，但是在便攜性上卻遠遜于硬盤解決方案。現在硬盤廠商提供了各種適用于不同用途的廉價海量存儲設備，如1 in(英寸)的微硬盤可以應用于各種小巧的便攜設備中，2．5in硬盤可以應用于筆記本和移動存儲中，3．5in硬盤可以應用于個人PC和工業自動化中等等。    

    目前，硬盤支持的最為廣泛的IDE接口協議中，規定了PIO、DMA以及Ultra DMA三種數據傳輸模式，其傳輸速率PIO<多字DMA<Ultra DMA，如表1所列。隨著各種多媒體應用的廣泛普及，各種設備不但要求擁有海量存儲能力，在完成各種實時業務時對數據的傳輸速率也提出了嚴格的要求。

    現階段的設計研究主要集中于單邊沿鎖存數據的PIO和DMA傳輸模式。大多數設計主要用PIO模式完成控制命令的寫入和讀取操作，采用DMA數據傳輸模式進行直接內存讀取操作，提高數據傳輸的速率。如果在相同系統中使用Ultra DMA數據傳輸模式，則可以在不提高系統時鐘頻率的基礎上，將系統數據傳輸速率提高l倍，極大地改善了系統性能，而不需要付出更多的硬件資源。因而硬盤的Ultra DMA數據傳輸方式在工業自動化、Internet網絡、消費類電子和各種嵌入式系統中的需求會不斷增加，有著很好的商業前景。

1 Nios系統介紹
    該設計是在Altera公司推出的Nios嵌入式系統的平臺上，設計可以通過Ultra DMA數據傳輸方式進行高速硬盤讀寫的接口模塊，并開發出相應的IP核。

1.1 Nios系統結構
    Nios嵌入式處理器系統通常由N1os處理器、Avalon交換結構總線和各種外圍設備(存儲、接口及功能模塊)的IP核三部分構成。Altera的SOPC Builder系統開發工具可以自動生成這些組件以及連接它們的總線。

    Nios處理器是32位結構可配置并包含五級流水線的通用RISC微處理器，采用改進的哈佛存儲器結構；處理器帶有分離的數據和程序存儲器總線控制，具備高速緩存、中斷處理功能。與傳統處理器相比，Nios指令系統可通過自定義指令和標準處理器選項，利用硬件來明顯提高系統性能。

    Avalon交換結構總線是Altera開發的用于Nios嵌入式處理器的參數化接口總線，由l組預定義的信號組成，用這些信號可以連接1個或多個IP模塊。Altera的S0PC Builder系統開發工具自動地產生Avalon交換結構總線邏輯，其實現只需要極少的FPGA資源，提供完全同步的操作。

    Nios嵌入式處理器系統中的各種存儲模塊、接口模塊和功能模塊等都在Altera的標準外圍設備庫中以IP核的方式提供使用，或是由用戶自行設計添加到庫中，以IP模塊的方式在系統中復用。

    實現硬盤高速訪問功能模塊的設計，實際上是在設計一個完整的IP模塊，再在Altera提供的SOPC Builder開發環境的設備庫中集成該IP核，以達到設計的目的。

1.2采用Nlos軟核處理器構建系統的原因
    ①與其他的實現方式相比有著更好的性能價格比。最常見的硬盤讀取控制和數據傳