基于SoPC和NIOS II的SD卡文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：傳統(tǒng)嵌入式設(shè)備對(duì)SD卡的讀取一般基于硬件層面，這么做省資源但是換來(lái)的是時(shí)序麻煩，移植困難，讀取文件不靈活。針時(shí)資源較為豐富的嵌入式方案，利用SoPC技術(shù)和靈活的NIOSⅡ軟核，提出了一種在SD卡上建立了FAT32文件系統(tǒng)的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)文件的基本操作如新建、讀取、刪除等，并在SD卡根目錄里放置測(cè)試文檔。對(duì)NIOSⅡ的代碼實(shí)現(xiàn)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明NIOSⅡ順利地讀出了文檔里的內(nèi)容，以及根目錄其他文件夾。測(cè)試實(shí)驗(yàn)在Terasic的DE2系列開(kāi)發(fā)板上通過(guò)驗(yàn)證。該方案方便了開(kāi)發(fā)者對(duì)不同嵌入式設(shè)備進(jìn)行移植，使其更加專注于頂層操作。
關(guān)鍵詞：FPGA；SoPC；NIOSⅡ；SD卡；FAT

SD卡中的數(shù)據(jù)是以塊為單位進(jìn)行存儲(chǔ)的，如果在硬件層面對(duì)其進(jìn)行操作，則不僅要非常了解SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，還要對(duì)FAT系統(tǒng)有深刻的理解，然后用復(fù)雜的時(shí)序狀態(tài)機(jī)對(duì)其扇區(qū)進(jìn)行初始化和讀取控制，對(duì)硬件直接進(jìn)行操作可以節(jié)省FPGA資源。為了更有效地組織和管理SD卡中的數(shù)據(jù)，必須采用文件的格式進(jìn)行組織數(shù)據(jù)，這就要求在SD卡中內(nèi)嵌文件系統(tǒng)。而隨著FPGA的高速發(fā)展，以Altera NIOSⅡ和Xilinx的Mic ro Blaze為代表的軟核處理器以其高可定制性、與ARM相比相同價(jià)格下的高性能得到廣泛的應(yīng)用。本文正是利用其豐富的外設(shè)和接口定制構(gòu)建SD卡的FAT文件系統(tǒng)。

1 接口和控制器的設(shè)計(jì)
1．1 接口的配置
SD卡有SD模式和SPI模式2種，SPI是一種高速、同步、全雙工的通信總線，只占用4根信號(hào)線，節(jié)約芯片的管腳，有利于PCB的布局。前者速度較快，后者比較方便我們采用后者SPI與FPGA進(jìn)行通信，它由4個(gè)信號(hào)組成，分別是CS(片選信號(hào))、MOSI(主機(jī)到SD卡)、MISO(SD卡到主機(jī))、SCLK(主機(jī)和SD卡的同步時(shí)鐘)，以主從方式工作，本文中SPI為主機(jī)，SD卡是從機(jī)，處于單主單從模式。在由NIOSⅡ軟核處理器控制的Avalon總線下可以方便地與SD卡進(jìn)行對(duì)接。Avalon總線是一種將片上處理器和外設(shè)連接成片上可編程(SoPC)的一種簡(jiǎn)單總線結(jié)構(gòu)，它規(guī)定了主從設(shè)備之間的結(jié)構(gòu)方式及其通信方式，通過(guò)使用SoPCBuilder可以很方便地將自定義外設(shè)和其他組件組合起來(lái)，生成按照組件例化的系統(tǒng)模塊，并自動(dòng)生成內(nèi)部總線邏輯，自動(dòng)完成外設(shè)和存儲(chǔ)器的地址映射、中斷控制和總線控制。圖1所示為設(shè)備之間的連接示意圖，NIOSⅡ處理器和外設(shè)SD卡控制器的通過(guò)Avalon總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和溝通，SD卡控制器控制著外部SD卡存儲(chǔ)介質(zhì)。

1．2 控制器的設(shè)計(jì)
SD卡控制器是FPGA和SD卡之間進(jìn)行通信的翻譯官，主要實(shí)現(xiàn)3大功能：
(1)復(fù)位和初始化SD卡。控制器按照SD卡總線協(xié)議產(chǎn)生控制時(shí)序?qū)ζ溥M(jìn)行復(fù)位和初始化。
(2)讀寫SD卡?？刂破魍ㄟ^(guò)CMD線發(fā)送讀或者寫的命令以及SD卡扇區(qū)地址，確認(rèn)收到正確的響應(yīng)后，通過(guò)DAT線進(jìn)行讀和寫操作(分別涉及串并轉(zhuǎn)換和并串轉(zhuǎn)換)，一次傳輸一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)(512 B)，傳輸完畢后將就緒信號(hào)置為有效。
(3)設(shè)置SD卡。通過(guò)CMD線發(fā)送命令和參數(shù)，不發(fā)送或接受數(shù)據(jù)。
1．3 SoPC中的硬件搭建
SoPC(System on a Programmable Chip)，即可編程片上系統(tǒng)，用可編程邏輯把整個(gè)系統(tǒng)放到一塊硅片上，是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，可以編程的片上系統(tǒng)(SOC)。
借助于Altera SoPC方便的組件定制、硬件組裝和它的靈活的設(shè)計(jì)方式，不用一個(gè)個(gè)親自用硬件語(yǔ)言去實(shí)現(xiàn)各個(gè)組件，只需要在SoPC里定制，最后結(jié)果如圖2所示，因?yàn)镾D卡的工作頻率最高為25 MHz，與FPGA自身的時(shí)鐘頻率不一定一樣，所以要加上clock_crossing用于協(xié)調(diào)2個(gè)不同的時(shí)鐘域。onchip_memory是片內(nèi)存儲(chǔ)器，用于儲(chǔ)存程序運(yùn)行的代碼或者堆棧之類的變量。timer和sysid用來(lái)協(xié)調(diào)這些組件良好運(yùn)作，例如SoPC Builder會(huì)使用System ID為每個(gè)系統(tǒng)提供識(shí)別符號(hào)，NIOSⅡEDS可以用此防止使用者燒錄與硬件信息不符合的sof文件。Timer是內(nèi)部時(shí)鐘定時(shí)。如果丟失這兩個(gè)組件，會(huì)導(dǎo)致最后的軟件運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤。其中sd_wp_n是SD卡寫保護(hù)信號(hào)線，由于默認(rèn)激活SD卡所以片選信號(hào)沒(méi)加。altpll是鎖相環(huán)，用來(lái)調(diào)節(jié)穩(wěn)定所需的時(shí)鐘信號(hào)，DE2系列的開(kāi)發(fā)板上都有1到2個(gè)鎖相環(huán)。jtag_uart用來(lái)調(diào)試、打印數(shù)據(jù)到控制臺(tái)，驗(yàn)證讀取寫入的數(shù)據(jù)是否相同。