基于A(yíng)valon總線(xiàn)的SD卡讀寫(xiě)控制器的設計

0 引言
當前，人們對大數據量的高速存取需求越來(lái)越高。SD卡作為新一代數據存儲設備，具有大容量，高速度的特點(diǎn)，很好地滿(mǎn)足了市場(chǎng)的具體需求，被廣泛用于便攜式消費類(lèi)電子設備，例如手機，數碼相機、PDA和各種多媒體播放器等。在工業(yè)控制領(lǐng)域，同樣有大量數據需要采集，存儲，分析。而傳統用MCU的GPIO模擬SD卡的時(shí)序實(shí)現讀／寫(xiě)調試復雜、讀／寫(xiě)速度慢，已經(jīng)不能符合大多數應用的需求。利用FPGA自身高速并行的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)一種SD卡讀寫(xiě)控制器的IP核，不但可以提高性能，而且可以簡(jiǎn)單實(shí)現IP復用，大大提高開(kāi)發(fā)效率，降低成本，具有極大的應用前景。
可編程的片上系統(System on Programmable Chip，SoPC)最先由Altera公司提出，它將盡可能大而完整的電子系統，主要包括NiosⅡ嵌入式處理器、各種硬件接口、數字信號處理系統、普通數字電路邏輯在單一FPGA芯片中實(shí)現。SoPC系統中的各個(gè)外設通過(guò)Avalon總線(xiàn)相連，可簡(jiǎn)單實(shí)現IP復用，因此，系統在開(kāi)發(fā)周期、體積、功耗、功能、產(chǎn)品升級維護等多方面實(shí)現最優(yōu)化，逐漸成為電子產(chǎn)品設計的趨勢。

1 Avalon總線(xiàn)簡(jiǎn)介
Avalon總線(xiàn)是Altera公司專(zhuān)門(mén)為SoPC系統指定的一套總線(xiàn)標準，它定義了主從端口對之間通信的信號類(lèi)型和時(shí)序關(guān)系。在結構上不同于傳統的共享式總線(xiàn)：它在需要連接的每一個(gè)主從端口對之間都有點(diǎn)到點(diǎn)的連接，不同的主從端口對之間可以同時(shí)進(jìn)行通信，所以大大提高了系統的性能。Altera一直在致力于為Avalon總線(xiàn)添加一些極其有用高級特性，簡(jiǎn)化系統設計的同時(shí)提高系統的性能。Avalon總線(xiàn)標準也在不斷的升級完善，現在已經(jīng)包含Avalon-MM接口規范和Aval-on-ST接口規范。
在A(yíng)valon總線(xiàn)接口的設計中，SoPC Builder提供了直觀(guān)的圖形用戶(hù)界面，設計人員可以很方便地添加自定義外設，SoPC Builder將自定義外設和其他組件組合起來(lái)，生成對這些組件進(jìn)行例化的單個(gè)系統模塊，并且自動(dòng)生成內部總線(xiàn)邏輯，按照設計人員的要求將這些外設與NiosⅡ處理器連接起來(lái)，并自動(dòng)完成外設和存儲器的地址映射、中斷控制和總線(xiàn)控制等工作。本文主要闡述了SD卡讀／寫(xiě)控制器的AvaIon-MM總線(xiàn)接口和SD卡讀／寫(xiě)控制邏輯的設計，以圾NiosⅡIDE中讀／寫(xiě)控制程序的編寫(xiě)。

2 SD卡的一般讀／寫(xiě)過(guò)程
SD卡有兩種讀／寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)模式：SD模式和SPI模式，其中SD模式又分為1 b和4 b兩種。由于DE2開(kāi)發(fā)平臺硬件上的原因，該設計采用的是1 b的SD模式實(shí)現SD卡的讀／寫(xiě)。SD卡在上電初期，卡主控通過(guò)檢測引腳1(DAT3)的電平來(lái)決定使用SD模式還是SPI模式。
SD總線(xiàn)上命令和數據的傳輸從一個(gè)起始位開(kāi)始，以停止位終止。每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一個(gè)命令或數據位。控制器通過(guò)CMD信號線(xiàn)發(fā)送命令到SD卡，用于對SD卡進(jìn)行相應的操作，SD卡接收到命令后，會(huì )發(fā)送相對應的響應給控制器，這些響應中包含了SD卡的一些基本信息和狀態(tài)信息等。SD卡初始化完成后，進(jìn)入數據傳輸階段，則可以進(jìn)行讀／寫(xiě)操作。為了避免命令，數據和響應傳輸的錯誤，SD規范中采用了CRC技術(shù)，在傳輸命令和響應時(shí)，需要進(jìn)行CRC7效驗，而在傳輸數據時(shí)，則需要進(jìn)行CRC16效驗。該控制器主要采用SD的CLK，CMD，DAT0三根信號線(xiàn)完成SD卡的讀／寫(xiě)。

3 SD卡讀寫(xiě)控制器總體工作過(guò)程
該控制器采用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)，在SD卡就緒后，NiosⅡ處理器先向Avalon-MM Slave端口設置相關(guān)寄存器。狀態(tài)控制邏輯根據寄存器中的相關(guān)位發(fā)送命令到讀／寫(xiě)控制邏輯，再由讀／寫(xiě)控制邏輯發(fā)送相應的命令到SD卡。命令在時(shí)鐘信號CLK的上升沿經(jīng)過(guò)CRC7校驗后通過(guò)CMD信號線(xiàn)串行寫(xiě)入SD卡。SD規范中定義了很多命令，但這里僅用到了常用的10個(gè)命令就實(shí)現了讀／寫(xiě)控制的功能，命令都要按一定格式順序發(fā)送到SD卡，命令編號占6 b，每個(gè)命令必須填充開(kāi)始標志，命令的參數以及CRC7校驗數據以及結束標志，發(fā)送1個(gè)完整的命令需要寫(xiě)入48b。
SD卡在接收到命令后，會(huì )根據寫(xiě)入的命令執行相應的操作，并發(fā)送相應的Response給控制器，其中Re-sponse也分為幾種，包含長(cháng)響應和短響應，Response中的數據包含了卡的一些基本信息以及命令的執行情況等?？刂破鞲鶕祷氐臓顟B(tài)的信息決定下一步操作，即發(fā)送下一個(gè)命令?？刂破鲀炔靠傮w結構如圖1所示。

控制器上電后自動(dòng)進(jìn)行初始化，將SD卡的狀態(tài)保存到狀態(tài)寄存器中，在進(jìn)行讀／寫(xiě)前，應先讀取SD卡的狀態(tài)信息，在SD卡進(jìn)入了讀／寫(xiě)就緒狀態(tài)后，即可向Avalon-MM Slave端口寫(xiě)入讀／寫(xiě)控制命令，具體包括要讀／寫(xiě)的扇區號，讀出數據或寫(xiě)入數據的存放地址?？刂破髟谑盏介_(kāi)始讀／寫(xiě)命令后，開(kāi)始讀／寫(xiě)指定的扇區，控制器一次性讀／寫(xiě)512 B，產(chǎn)生一個(gè)讀／寫(xiě)完成的中斷，即可以開(kāi)始讀／寫(xiě)下一個(gè)扇區。進(jìn)行讀操作時(shí)，控制器將從SD卡讀出的數據通過(guò)AvaIon-MM Master端口寫(xiě)入所指定的地址處。進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，控制器通過(guò)Avalon-MM Master端口將指定內存地址處的數據寫(xiě)入SD卡?？刂破髡麄€(gè)讀／寫(xiě)過(guò)程無(wú)需CPU干預，由Master端口主動(dòng)完成，CPU僅需寫(xiě)入相關(guān)控制命令，大大提高了CPU的利用率。