基于SoPC和NIOS Ⅱ的SD卡文件系統的設計與實(shí)現

2驅動(dòng)程序的設計

SD卡處于SPI模式的驅動(dòng)主要包含有：(1)SPI底層的操作，SPI的命令和數據塊都是以8個(gè)比特為單位進(jìn)行分組和發(fā)送的。

(2)關(guān)于CMD的操作，主要有SD卡的初始化以及SD卡的讀寫(xiě)，先發(fā)送命令然后再發(fā)送CRC校驗。

(3)CRC校驗使用NIOSⅡ來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：NIOSⅡ軟件架構建立在硬件抽象層HAL(Hardware AbstractionLayer)之上，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)、HALAPI、和C標準庫等資源[6]，表1為系統整體的架構示意。

HAL的系統庫為NIOSⅡ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，簡(jiǎn)化了應用程序的開(kāi)發(fā)。HAL系統庫也為應用程序與底層硬件驅動(dòng)劃分了一條清晰的分界線(xiàn)，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。

SD卡的上電初始化過(guò)程可以分成以下5個(gè)步驟：(1)適當延時(shí)等待SD就緒;(2)發(fā)送74+個(gè)spi_clk，且保持spi_cs_n=1spi_mosi=1;(3)發(fā)送CMD0命令并等待響應R1=8'H01，將卡復位到IDLE;(4)發(fā)送CMD1命令并等待響應R1=8'H00，激活卡的初始化進(jìn)程;(5)發(fā)送CMD16命令并等待響應R1=8'H00，設置一次讀寫(xiě)BLOCK的長(cháng)度。

SD卡的數據讀取操作也大致可以分為以下步驟：(1)發(fā)送命令CMD17;(2)接受讀數據起始令牌0xFE;(3)讀取512B數據以及2B的CRC.借助于NIOSⅡ可以軟件編寫(xiě)最底層的SPI操作函數來(lái)實(shí)現上述復雜的步驟：

externINT8USPI_Sendbyte(INT8Udata)

externINT8USPI_Recibyte(void)

上面分別是SPI發(fā)送1B以及接收1B，這2個(gè)函數的使用需要調用SoPC中的SPI核中的庫函數，然后是SD卡的初始化和讀寫(xiě)函數：初始化：externintSD_Reset(void);讀一扇區：externintSD_ReadBlock(INT32U blockaddr，INT8U*recibuf);寫(xiě)一扇區：externintSD_WriteBlock(INT32U blockaddr，INT8U*sendbuf);通過(guò)這些代碼，可以一步步的向SD卡發(fā)送CMD指令，使其復位，激活成SPI模式，并設置塊大小為512B.

3 文件系統的設計

若讀寫(xiě)操作都是以扇區為單位，SD卡僅相當于FLASH.為了管理SD卡中的數據，并方便在Windows系統中訪(fǎng)問(wèn)SD卡中的數據，就必須將SD卡中的數據有效組織起來(lái)，以文件的形式進(jìn)行存儲和訪(fǎng)問(wèn)，可以給SD卡創(chuàng )建一個(gè)文件系統，常見(jiàn)的是微軟公司推出的FAT16和進(jìn)化版FAT32. FAT存儲原理[7-8]：FAT16由6部分組成，首先是引導扇區(DBR)，引導扇區(DBR)即操作系統引導記錄區，通常占用分區的第0扇區共512B.在512B中，又由跳轉指令、廠(chǎng)商標志、操作系統版本號、BPB、擴展BPB、OS引導程序、結束標志幾部分組成。如圖3所示[9]，根文件夾緊跟著(zhù)的是FAT表(FAT1，FAT2，FAT2是FAT1的備份)，FAT表是FAT16文件系統用來(lái)記錄磁盤(pán)數據簇鏈結構的，FAT中磁盤(pán)空間按照一定數目的扇區為最單位進(jìn)行劃分，這種單位稱(chēng)為簇，一般每扇區分為512B，而簇的大小是2n(n為整數)個(gè)扇區，所以簇的大小一般是512B，1KB，2KB，4KB等，一般不超過(guò)32KB.以簇為單位的原因是扇區太小，如果用扇區的話(huà)對大文件的存取會(huì )消耗很多資源，增加FAT表的項數，這樣文件系統的效率就非常低。

引導扇區根文件夾FAT1FAT2其他文件系統本質(zhì)上就是把上層對文件的操作轉換為底層對數據簇的操作(例如初始化，讀扇區，寫(xiě)扇區等)。

圖3FAT結構

本文中最底層的2個(gè)函數如下：FAT_ReadSector，FAT_WriteSector文件系統目錄的數據結構如下：typedefstruct{charName[8];charExtension[3];charAttribute;charreserved[2];unsignedshortCreateTime;unsignedshortCreateDate;unsignedshortLastAccessDate;unsignedshortLastWriteTime;unsignedshortLastWriteDate;unsignedshortFirstLogicalCluster;unsignedintFileSize;｝FAT_DIRECTORY;對底層函數進(jìn)行調用的應用層函數有：FAT_Init(初始化函數)

FAT_GetSize(獲取磁盤(pán)大小)

FAT_Open_File(打開(kāi)文件)

FAT_Read_File(讀文件)

FAT_Create_Dir(新建文件夾)

FAT_Create_File(新建文件)

FAT_Dele_File(刪除文件)

有了這些底層函數和API函數后，要對SD卡進(jìn)行操作只需要在NIOS的頂層main.C文件里面調用這些函數。用軟件的方法完成順序執行的操作，而這正是硬件執行的軟肋。下面列出main函數核心的代碼：while(1){printf(.。。。。。rn);hfat=fat_mount(SD_CARD，0);if(hFat){printf(SD卡加載成功!n);printf(讀取根目錄：n);fat_test(hfat，test.txt);fat_Unmount(hFat);printf(測試完成。重試請按KEY鍵rn);｝else{printf(無(wú)法加載SD卡，請仔細檢查是否插入并按KEY鍵重試rn);｝while((IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(KEY_BASE)0x08)==0x08);usleep(300*1000);｝測試：在一張SD卡里存放了一個(gè)test.txt文件，插到開(kāi)發(fā)板的SD卡槽里。最后的圖4是NIOS控制臺最終的運行結果，程序正確的顯示出了卡里面的文件夾和文件，以及test.txt里面的文件內容，驗證了本系統可以正確運行。

圖4NIOSⅡ運行結果

4結語(yǔ)

本設計基于SoPC以NIOSⅡ軟核處理器為控制核心，根據標準的FAT32文件系統規范，完成了對SD卡的基礎操作。該設計雖比硬件讀取占用稍稍多點(diǎn)的資源，但是方便了開(kāi)發(fā)者對嵌入式設備外設的操作和移植，有非常實(shí)際的可操作性和應用。