基于SoPC和NIOS II的SD卡文件系統的設計

摘要：傳統嵌入式設備對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文件系統的方法，實(shí)現了對文件的基本操作如新建、讀取、刪除等，并在SD卡根目錄里放置測試文檔。對NIOSⅡ的代碼實(shí)現進(jìn)行測試，結果表明NIOSⅡ順利地讀出了文檔里的內容，以及根目錄其他文件夾。測試實(shí)驗在Terasic的DE2系列開(kāi)發(fā)板上通過(guò)驗證。該方案方便了開(kāi)發(fā)者對不同嵌入式設備進(jìn)行移植，使其更加專(zhuān)注于頂層操作。
關(guān)鍵詞：FPGA；SoPC；NIOSⅡ；SD卡；FAT

SD卡中的數據是以塊為單位進(jìn)行存儲的，如果在硬件層面對其進(jìn)行操作，則不僅要非常了解SD卡的數據存儲結構，還要對FAT系統有深刻的理解，然后用復雜的時(shí)序狀態(tài)機對其扇區進(jìn)行初始化和讀取控制，對硬件直接進(jìn)行操作可以節省FPGA資源。為了更有效地組織和管理SD卡中的數據，必須采用文件的格式進(jìn)行組織數據，這就要求在SD卡中內嵌文件系統。而隨著(zhù)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用。本文正是利用其豐富的外設和接口定制構建SD卡的FAT文件系統。

1 接口和控制器的設計
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(xiàn)，只占用4根信號線(xiàn)，節約芯片的管腳，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)信號組成，分別是CS(片選信號)、MOSI(主機到SD卡)、MISO(SD卡到主機)、SCLK(主機和SD卡的同步時(shí)鐘)，以主從方式工作，本文中SPI為主機，SD卡是從機，處于單主單從模式。在由NIOSⅡ軟核處理器控制的Avalon總線(xiàn)下可以方便地與SD卡進(jìn)行對接。Avalon總線(xiàn)是一種將片上處理器和外設連接成片上可編程(SoPC)的一種簡(jiǎn)單總線(xiàn)結構，它規定了主從設備之間的結構方式及其通信方式，通過(guò)使用SoPCBuilder可以很方便地將自定義外設和其他組件組合起來(lái)，生成按照組件例化的系統模塊，并自動(dòng)生成內部總線(xiàn)邏輯，自動(dòng)完成外設和存儲器的地址映射、中斷控制和總線(xiàn)控制。圖1所示為設備之間的連接示意圖，NIOSⅡ處理器和外設SD卡控制器的通過(guò)Avalon總線(xiàn)結構進(jìn)行數據交換和溝通，SD卡控制器控制著(zhù)外部SD卡存儲介質(zhì)。

1．2 控制器的設計
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3大功能：
(1)復位和初始化SD卡?？刂破靼凑誗D卡總線(xiàn)協(xié)議產(chǎn)生控制時(shí)序對其進(jìn)行復位和初始化。
(2)讀寫(xiě)SD卡?？刂破魍ㄟ^(guò)CMD線(xiàn)發(fā)送讀或者寫(xiě)的命令以及SD卡扇區地址，確認收到正確的響應后，通過(guò)DAT線(xiàn)進(jìn)行讀和寫(xiě)操作(分別涉及串并轉換和并串轉換)，一次傳輸一個(gè)扇區的數據(512 B)，傳輸完畢后將就緒信號置為有效。
(3)設置SD卡。通過(guò)CMD線(xiàn)發(fā)送命令和參數，不發(fā)送或接受數據。
1．3 SoPC中的硬件搭建
SoPC(System on a Programmable Chip)，即可編程片上系統，用可編程邏輯把整個(gè)系統放到一塊硅片上，是一種特殊的嵌入式系統，可以編程的片上系統(SOC)。
借助于A(yíng)ltera SoPC方便的組件定制、硬件組裝和它的靈活的設計方式，不用一個(gè)個(gè)親自用硬件語(yǔ)言去實(shí)現各個(gè)組件，只需要在SoPC里定制，最后結果如圖2所示，因為SD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2個(gè)不同的時(shí)鐘域。onchip_memory是片內存儲器，用于儲存程序運行的代碼或者堆棧之類(lèi)的變量。timer和sysid用來(lái)協(xié)調這些組件良好運作，例如SoPC Builder會(huì )使用System ID為每個(gè)系統提供識別符號，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是內部時(shí)鐘定時(shí)。如果丟失這兩個(gè)組件，會(huì )導致最后的軟件運行出現錯誤。其中sd_wp_n是SD卡寫(xiě)保護信號線(xiàn)，由于默認激活SD卡所以片選信號沒(méi)加。altpll是鎖相環(huán)，用來(lái)調節穩定所需的時(shí)鐘信號，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)調試、打印數據到控制臺，驗證讀取寫(xiě)入的數據是否相同。