FPGA和Nios II軟核的SD卡文件系統實(shí)現方法

摘要：利用Cyclone II系列FPGA構建了一種用于SD卡讀寫(xiě)的SPI控制器，并在其上實(shí)現了一個(gè)基于Nios II軟核處理器的嵌入式文件系統。此文件系統是通過(guò)在Nios II EDS開(kāi)發(fā)平臺上移植znFAT32文件系統實(shí)現的。
關(guān)鍵詞：Cyclone II；FPGA；Nios II；SD卡；znFAT32文件系統

引言
在嵌入式系統或移動(dòng)設備上使用SD卡，接口的構建和文件系統實(shí)現是必須解決的問(wèn)題。本文探討在CycloneII平臺為基礎的嵌入式系統上，實(shí)現SD卡接口和文件系統的實(shí)現方法。
基于FPGA IP軟核處理器的嵌入式系統，因其集成度高、可靈活配置和性?xún)r(jià)比方面的優(yōu)勢，已經(jīng)逐漸逼近甚至趕超采用專(zhuān)用集成電路(ASIC)的設計方案。
利用Nios II可定制周邊設備的特點(diǎn)，在FPGA中，通過(guò)DHL編程構造出SD卡需要的SPI接口和其他控制信號的方式。在此基礎上，在Nios II處理器上實(shí)現了一個(gè)靈活的文件系統。
基于FPGA和Nios II軟核構建SOPC嵌入式文件系統，本文所做的工作包括：Nios II處理器IP軟核的最小SOPC系統的構建，SD卡的底層扇區讀寫(xiě)驅動(dòng)程序的編寫(xiě)方式，znFAT32文件系統的移植，以及對SD卡文件操作的實(shí)現等。

1 基于Nios II軟核的SOPC系統構建
1．1 SOPC系統的結構
如圖1所示，基于NiosII的SOPC系統包括如下部分：

①系統核心模塊：Nios II處理器。
②處理器外圍支持電路：時(shí)鐘單元以及存儲器單元SDRAM控制器(包括存儲代碼的ROM與存儲變量的RAM)部分。
③程序下載調試模塊：JTAG接口控制器和異步通信接口(UART用于打印調試信息)。
④片上系統的內部外設模塊：諸如定時(shí)器、UART、SPI、GPIO等，這部分總的功能電路可根據需要配置，在本例的實(shí)驗驗證中，主要用到SD卡的接口是SPI。
⑤EPCS控制器：由于FPGA是基于RAM的結構框架，掉電后代碼會(huì )丟失。所以FPGA需要配置一個(gè)ROM在上電后將代碼加載到RAM中運行。在SOPC系統中，EPCS控制器有兩個(gè)作用，一是用來(lái)幫助EDS工具將軟件程序下載到EPCS芯片中去，二是在FPGA配置完成后引導EPCS芯片中的程序加載到SDRAM中去運行。
1．2 Cyclone II構建SOPC系統的過(guò)程
Altera公司為在其生產(chǎn)的FPGA上構建SOPC，不僅提供了各種使用的IP核模塊，還提供了極為友好的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Quartus II。在Quartus II中，有一個(gè)工具SOPCBuilder，可以幫助用戶(hù)通過(guò)添加和配置(給出參數)IP核的方式，自動(dòng)構建Verilog HDL語(yǔ)言硬件代碼。
在Quartus II中，構建SOPC系統的流程如圖2所示。