采用NiosⅡ處理器的總線(xiàn)架構的SD卡設計

SD存儲卡以其大容量和小尺寸的特點(diǎn)，成為市面上各種嵌入式消費產(chǎn)品最常見(jiàn)的存儲媒介，探討SD卡設備的設計具有廣泛的應用價(jià)值。這里將結合NiosⅡ處理器的總線(xiàn)架構，分析SD卡的接口協(xié)議和驅動(dòng)程序設計方法，并給出SD卡設備在NiosⅡ處理器的設計實(shí)例。

　　1 NiOSⅡ處理器的Avalon總線(xiàn)架構

　　Nios和NiosⅡ都使用了Avalon總線(xiàn)，這是一種交換式架構的片內總線(xiàn)。該總線(xiàn)形式和PCI、ISA等板間互連總線(xiàn)的最大區別在于：其主從設備之間有緊密耦合關(guān)系。Avalon總線(xiàn)架構中，由硬件設計人員通過(guò)SOPC Builder規定互連的主從設備(包括數據、控制信號、片選、地址的互連)，不連接的設備之間是互相看不到的。每個(gè)Avalon主設備端有多路復用器，用來(lái)從多個(gè)從設備的數據總線(xiàn)中選擇當前要訪(fǎng)問(wèn)的數據。圖l為Avalon總線(xiàn)系統結構。

　　Avalon接口用于提供描述主外設和從外設中基于地址讀／寫(xiě)接口的基礎，例如，微控制器、存儲器、UART及定時(shí)器等。接口規范定義了外設和Avalon開(kāi)關(guān)互聯(lián)結構之間的數據傳輸。在沒(méi)有主或從接口限制的情況下，規范的互聯(lián)策略允許任何主外設連接到任何從外設；Avalon接口描述了一個(gè)可配置的互聯(lián)策略，允許外設的設計者限制某種特定傳輸所需的信號類(lèi)型。

　　Avalon定義了5種傳輸方式：從端口傳輸、主端口傳輸、流水線(xiàn)讀傳輸、流傳輸控制和三態(tài)傳輸。這里僅分析SD卡設備所使用的從端口傳輸方式。

　　1．1 從設備信號

　　從設備信號是與主設備相連接的一組信號端口，這里所針對的SD卡設備的Avalon從端口需定義的信號端口如表1所列。

　　表l所列出的從設備信號只是這里所針對的SD卡設備所需要的信號，并不是從設備所支持的所有信號。對于其他從設備可根據其自身特點(diǎn)及需要來(lái)選擇相應的信號接口。

　　1．2 從端口讀／寫(xiě)傳輸

　　從端口讀傳輸是主設備通過(guò)SD卡控制器對SD卡進(jìn)行讀取的操作，即讀取SD卡的數據；從端口寫(xiě)傳輸是主設備通過(guò)SD卡控制器對SD卡進(jìn)行寫(xiě)操作，即對SD卡寫(xiě)入數據。圖2為從端口讀／寫(xiě)信號時(shí)序。

　　從端口讀傳輸時(shí)，在時(shí)鐘上升沿開(kāi)始傳輸數據，并在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿完成傳輸。在clk的第1個(gè)上升沿，systeminterconnect fabric配合read、begintransfer信號將有效的address，byteenable和read信號傳輸給從端口，且system interconnect fabric在內部將address譯碼，產(chǎn)生并驅動(dòng)從端口的chipselect信號。chipselect信號一旦有效，則從端口立即驅動(dòng)readdata。system interconnect fabric則在下一個(gè)clk上升沿捕獲readdata。

　　從端口寫(xiě)傳輸是由system interconnect fabric發(fā)起的。它向從端口傳輸1個(gè)單元的數據，且在1個(gè)時(shí)鐘周期內完成。system intercon-nect fabric配合write、begintransfer信號提供address，writedata，byteenable和write。system interconnectfabric不對address進(jìn)行譯碼，驅動(dòng)chipselect，并使其有效。從端口在下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿捕獲地址、數據和控制信號，并完成寫(xiě)傳輸。

　　從端口的讀寫(xiě)時(shí)序是通過(guò)SD卡控制器完成的，而SD卡的控制器是以NiosⅡ軟核處理器外設的形式與處理器相連接的。其關(guān)系如圖3所示。

　　2 SD卡的接口協(xié)議分析

　　SD卡即可靠數字存儲卡(Seeure Digital Memory Card)，是為滿(mǎn)足消費電子類(lèi)產(chǎn)品對安全、容量、性能等有特殊要求的環(huán)境而設計的。 SD卡定義了SD和SPI這2種可選擇的總線(xiàn)協(xié)議。這里研究的是SPI協(xié)議下的SD卡設備開(kāi)發(fā)。SPI是面向字節的傳輸，SPI的命令和數據塊都是以8個(gè)比特為單位進(jìn)行分組的。SPI的信息分為控制幀、反饋幀和數據幀，所有的SPI信息都是建立在命令、應答和數據端口標記上的。所有主機和卡之間的通信都由主機控制，主機通過(guò)拉低CS信號開(kāi)始一個(gè)總線(xiàn)事務(wù)。

　　SPI模式下，SD卡可支持單個(gè)塊和多個(gè)塊的讀／寫(xiě)操作，在接收到一個(gè)合法的讀取命令后，這個(gè)SD卡可將用一個(gè)應答標志來(lái)應答響應，隨后的就是一個(gè)數據塊。在接收到一個(gè)合法的寫(xiě)指令時(shí)，SD卡將響應一個(gè)應答標記，并等待主控制器發(fā)送這個(gè)數據塊。圖4為單個(gè)塊數據的讀取操作，圖5為單個(gè)塊數據的寫(xiě)入操作。

3 SD卡驅動(dòng)設計

　　NiosⅡ軟件架構是建立在硬件抽象層HAL(Hardware AbstracTIon Layer)之上的，HAL為Nios軟件開(kāi)發(fā)者提供了編程接口、底層的設備驅動(dòng)、HAL API以及C標準庫等資源。

　　HAL系統庫為Nios軟件設計人員提供了應用程序與底層硬件交互的設備驅動(dòng)接口，大大簡(jiǎn)化了應用程序的開(kāi)發(fā)。同時(shí)，HAL系統庫還為應用程序與底層硬件驅動(dòng)劃分了一條很清晰的分界線(xiàn)，從而大大提高了應用程序的復用性，使得應用程序不受底層硬件變化的影響?；贖AL的系統層次結構如圖6所示。