基于SoPC的SD卡控制器IP核的設(shè)計(jì)

摘 要:　針對目前在嵌入式平臺中使用SD卡控制器專用芯片價(jià)格昂貴、軟件模擬SPI時序控制讀寫速度較慢的問題，提出了一種基于SoPC技術(shù)的SD卡控制器IP核設(shè)計(jì)的架構(gòu)方案。采用VHDL語言設(shè)計(jì)SD卡控制器IP核，利用自定義模塊技術(shù)將其添加到SoPC中，利用Nios II IDE編寫SD卡的基礎(chǔ)讀寫驅(qū)動軟件并移植μC/FS文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對SD卡的文件操作。該設(shè)計(jì)具有使用方便、集成度高、數(shù)據(jù)傳輸可靠、文件格式通用等特點(diǎn)，在基于SoPC架構(gòu)的多用途無線防盜監(jiān)控系統(tǒng)中得到良好的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 可編程片上系統(tǒng); SD卡; μC/FS文件系統(tǒng); 控制器; IP核

　隨著電子產(chǎn)品的音頻、視頻等多媒體功能的不斷增強(qiáng)，嵌入式系統(tǒng)對存儲介質(zhì)的容量、安全、性能、價(jià)格等提出了更高的要求，而SD卡因其價(jià)格低廉、速度快、容量大和兼容性好（兼容MMC卡協(xié)議）等特點(diǎn)在嵌入式平臺中得到了廣泛的使用。目前在嵌入式平臺中使用SD卡的方式主要有：(1)系統(tǒng)中使用帶SD卡控制器的電路模塊或芯片。(2)將I/O口與SD卡接口連接以軟件模擬SPI時序控制其讀寫。方式(1)使用方便、控制簡單，但是增加了硬件電路復(fù)雜度和成本；方式(2)電路雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是讀寫速度慢。
　針對上述缺陷，本文提出了基于SoPC技術(shù)的SD卡控制器的架構(gòu)方案，即在Altera公司提供的Quartus II軟件中開發(fā)SD卡控制器并在SoPC Builder中將其作為一個獨(dú)立的IP核集成到SoPC中，通過軟件驅(qū)動控制器以實(shí)現(xiàn)SD卡讀寫及文件操作，使其系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、集成度高、讀寫速度快，為SOPC設(shè)計(jì)中使用非易失性存儲提供了新的方案。

1 SD卡協(xié)議規(guī)范
SD聯(lián)盟在2000年和2006年分別發(fā)布了SD卡規(guī)范1.0和2.0版本，SD卡規(guī)范主要包括物理層規(guī)范[1]、文件系統(tǒng)規(guī)范和安全規(guī)范三部分內(nèi)容,最大支持容量為32 GB，支持的文件系統(tǒng)為FAT16和FAT32。
　SD卡內(nèi)部不僅有大量的存儲單元，還有卡接口控制器、寄存器等，外部控制器不能直接訪問存儲器，所有對SD卡的操作如讀/寫、設(shè)置塊長度、擦除等都是由卡接口控制器根據(jù)收到的命令自動完成，減少了外部控制器對存儲器操作的負(fù)擔(dān)[2]。SD卡支持SD和SPI兩種工作模式，兩種模式下SD卡的管腳意義如表1所示。SD模式下數(shù)據(jù)采用4線并行傳輸，速度較快。而SPI模式接口協(xié)議簡單，在各嵌入式平臺中的通用性好，故本設(shè)計(jì)中采用SPI模式?！?/P>

2 SD卡控制器IP核設(shè)計(jì)
　SD卡工作在SPI模式下,其總線主要有時鐘線CLK、命令線CMD、數(shù)據(jù)線DAT和片選線CS。SD卡控制器主要實(shí)現(xiàn)三大功能：
　(1)復(fù)位和初始化SD卡?？刂破靼凑誗D卡總線協(xié)議產(chǎn)生控制時序?qū)ζ溥M(jìn)行復(fù)位和初始化。
　(2)讀寫SD卡。控制器首先通過CMD線發(fā)送讀或?qū)懨詈蜕葏^(qū)地址，等收到正確的命令回執(zhí)后，將DAT線上傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，然后存儲在控制器內(nèi)部緩存中(寫數(shù)據(jù)則將控制器內(nèi)部緩存中的數(shù)據(jù)并/串轉(zhuǎn)換后從DAT線發(fā)送到SD卡)，一個扇區(qū)數(shù)據(jù)(512 B)傳輸完畢后將就緒信號置為有效。
　(3)設(shè)置SD卡。設(shè)置操作與讀寫操作相同，都是發(fā)送命令和參數(shù)，只是不接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。
　需要特別指出的是：CLK信號由控制器產(chǎn)生，對SD卡的命令或數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗胁僮骶c該時鐘同步(SD卡的最大工作時鐘為25 MHz)。
　SD控制器的功能模塊劃分如圖1所示。

2.1 總線接口模塊
總線接口模塊SDInterface是整個SD卡控制器的核心，其端口信號遵循Avalon協(xié)議規(guī)范[3]，主要負(fù)責(zé)連接Avalon總線、緩存SD卡命令、緩存扇區(qū)地址、將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送至緩存(雙口RAM)以及從緩存中讀取數(shù)據(jù)等。
　當(dāng)處理器要對SD卡進(jìn)行初始化時，需要寫SDInterface模塊的特定地址，之后SDInterface選擇啟動復(fù)位/初始化模塊(SDInit)，由SDInit完成SD卡的初始化工作。
　向SD卡寫數(shù)據(jù)時,需要先通過SDInterface模塊將要寫的數(shù)據(jù)緩存到雙口RAM中,然后將扇區(qū)地址和寫命令(CMD24)發(fā)送到SDInterface模塊的特定地址，之后SDInterface會啟動命令控制(SDcmd)模塊并將命令和地址傳遞給后者，最后由SDcmd模塊完成一次寫操作。
從SD卡中讀數(shù)據(jù)或?qū)D卡進(jìn)行其他操作與向SD卡寫數(shù)據(jù)過程基本一致，處理器首先向SDInterface發(fā)送命令和參數(shù)(如果是讀寫操作，則參數(shù)即為扇區(qū)地址)，之后SDInterface啟動SDCmd模塊并由SDCmd模塊完成后續(xù)操作(如果是讀操作則將讀得的數(shù)據(jù)緩存到雙口RAM中)。

2.2 初始化模塊
　 對SD卡進(jìn)行讀寫或其他操作前首先應(yīng)將其初始化。初始化模塊SDInit主要負(fù)責(zé)完成SD卡的初始化工作，主要工作流程如下：
　(1)當(dāng)總線接口模塊使能SDInit后，SDInit通過SPITrans模塊向SD卡發(fā)送復(fù)位命令(CMD40)。
　(2)等待復(fù)位命令的回執(zhí)，如果復(fù)位成功(返回值為0x01)，則轉(zhuǎn)向步驟(3),否則繼續(xù)等待。
　(3)向SD卡發(fā)送初始化命令(CMD41)，等待初始化命令的回執(zhí)并將執(zhí)行結(jié)果返回給SDInterface以便通知處理器。

2.3 命令控制模塊
　命令控制模塊SDCmd主要完成SD卡命令、參數(shù)、命令校驗(yàn)值的發(fā)送和命令回執(zhí)的讀?。ㄈ绻亲x寫操作,則還要進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收）。
　SDInterface模塊使能SDCmd前會將SD命令、參數(shù)傳遞給SDCmd，這樣SDCmd使能后,首先通過SPITrans模塊將得到的命令、參數(shù)發(fā)送到SD卡,然后等待命令回執(zhí)，如果當(dāng)前命令是讀、寫之外的其他命令，則將執(zhí)行結(jié)果返回給SDInterface模塊即可;如果是讀、寫命令則收到正確的命令回執(zhí)后，則還要將數(shù)據(jù)接收并存到緩存或發(fā)送到SD卡。

2.4 選擇器和雙口RAM
　選擇器模塊Mux主要用來根據(jù)當(dāng)前操作從SDInit模塊和SDCmd模塊的輸出信號中選擇一路送至SPITrans模塊。雙口RAM是SD控制器的緩存，用來存儲發(fā)送到SD卡和從SD卡上讀取的數(shù)據(jù)。

2.5 串/并、并/串轉(zhuǎn)換及時鐘產(chǎn)生模塊
　SPITrans模塊主要負(fù)責(zé)串/并轉(zhuǎn)換、并/串轉(zhuǎn)換和SD卡時鐘產(chǎn)生。當(dāng)SPITrans模塊使能后，它通過對輸入時鐘進(jìn)行分頻產(chǎn)生SD卡時鐘，并在8個SD卡時鐘周期內(nèi)將選擇器輸出的8位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)發(fā)送到SD卡，同時將SD卡DAT線上的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)返回給SDInit模塊和SDCmd模塊。

3 基礎(chǔ)讀寫設(shè)計(jì)
　SD卡控制器軟件的編寫在Altera公司的Quartus II中完成，使用SOPC Builder工具將具有Avalon總線接口的SD卡控制器封裝成IP 核并集成到SOPC中，利用Nios II IDE編寫軟件驅(qū)動實(shí)現(xiàn)SD卡的基礎(chǔ)讀寫(以扇區(qū)為單位進(jìn)行讀寫）。寫數(shù)據(jù)到SD卡扇區(qū)操作函數(shù)如下：
int sd_write(UINT8 *data, UINT32 addr)
{
int ret, i=0, j=0;
if(sd_type == 1) addr = addr 9;
/*判斷地址偏移*/
for(i=0; i512; i++)
　 IOWR(SD_CARD_BASE, i, data[i]);
/*寫數(shù)據(jù)*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 517, CMD24);
/*寫入地址*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 518, addr);
/*開始運(yùn)行*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 519, 0);
/*讀命令回執(zhí)*/
ret = IORD(SD_CARD_BASE, 519);
…
}