基于Nios II 軟核處理器的SD卡接口設計

接著(zhù)要對選中的Nios標準內核進(jìn)行配置，這里要考慮的問(wèn)題是如何如何分配片內存儲器和片外存儲器的使用。片內存儲器的資源是很寶貴的，所以要先確定系統運行所需要的片內ROM或RAM,在滿(mǎn)足性能的條件下，盡可能使用較少的片內存儲器。

對于一個(gè)實(shí)際的系統，光有片內存儲器一般是不夠的，尤其是考慮到要進(jìn)行嵌入式操作系統的移植，所以還要增加片外存儲器。Niso II通過(guò)Avalon總線(xiàn)和片外存儲器以及外部設備連接。外部存儲器件的類(lèi)型包括SRAM、SDRAM、DDR2、Flash等，外部設備包括UART串行口等。本設計采用SDRAM.

接著(zhù)是添加PIO端口，定義輸入輸出端口，主要的目的是用于Nios II讀取數字量。Nios II所采用的時(shí)鐘和FPGA 的時(shí)鐘密切相關(guān)，一般是通過(guò)鎖相環(huán)PLL 把外部輸入的時(shí)鐘進(jìn)行倍頻之后再送給Nios II來(lái)作為主頻使用，同時(shí)外部設備也使用時(shí)鐘信號。外部時(shí)鐘信號為25MHz,而經(jīng)過(guò)倍頻后為50MHz.

至此，主要的配置過(guò)程就結束了。但是還是需要配置如下部分：

（1） 分配存儲器和外部設備的基地址和中斷請求優(yōu)先級；

（2） 設定NiosII處理器的啟動(dòng)地址，本設計把片內存儲器設定為Nios II的啟動(dòng)地址。

（3） 在生成NiosⅡ系統時(shí)，可以選擇生成Verilog語(yǔ)言還是VHDL 語(yǔ)言，本設計采用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設計；

（4） 最后生成的qsf文件，相當于整個(gè)工程的文件，但是關(guān)于配置管腳使用的部分，需要用戶(hù)去生成。生成的方法可以在圖形界面下配置，也可以通過(guò)寫(xiě)tcl文件的方法。寫(xiě)tcl文件的方法一般來(lái)講，對于大型工程，還是比較方便的。

（5） 編譯整個(gè)NiosⅡ系統，在A(yíng)ltera 提供的開(kāi)發(fā)環(huán)境Quartus II 中進(jìn)行編譯。頂層設計文件可以使VHDL 也可以是原理圖的形式。

（6） 采用JATG口進(jìn)行下載，把生成的的SOF文件下載到FPGA里。

2系統軟件設計

Altera公司為了用戶(hù)方便使用Nios II來(lái)快速研制產(chǎn)品，提供了功能強大、易于使用的Nios II集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，與一般的嵌入式系統開(kāi)發(fā)設計比較類(lèi)似。在生成NiosII的過(guò)程中已經(jīng)自動(dòng)生成了需要使用的頭文件（一般是C語(yǔ)言的頭文件），同時(shí)一般外圍設備的驅動(dòng)程序也可以生成。對于嵌入式操作系統，可以使用用戶(hù)自己裁剪的ucLinux內核也可以使用Altera提供的操作系統內核。本設計使用Altera公司提供的Nios II 9.0版本的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

2.1 SD卡初始化

在對SD 卡進(jìn)行讀/寫(xiě)之前，必須知道卡的類(lèi)型、卡的容量、卡的大小等信息。具體來(lái)說(shuō)，初始化函數主要完成以下工作：

（1） 微處理器（這里指Nios II）復位SD卡，激活SD卡內部控制電路進(jìn)行初始化處理，使SD卡進(jìn)入SPI 模式；

（2） 發(fā)送命令查詢(xún)SD卡是否支持3.3V供電；

（3） 調整SPI時(shí)鐘頻率；

（4） 根據編譯選項使能或者禁止通信過(guò)程中的CRC校驗；

（5） 設置用于讀/寫(xiě)操作的塊數據長(cháng)度；

（6） 最后是初始化全局變量sds.

SD卡初始化函數INTSU SD_Initialize（viod）就是用于完成以上任務(wù)的，它讀取SD卡內部CSD寄存器，然后對全局變量sds進(jìn)行賦值。

2.2 SD卡讀寫(xiě)操作

對SD卡的讀寫(xiě)操作需要知道SD 卡的一些基本的屬性：插入卡座中SD卡的型號；SD卡中全部塊的數量；SD卡的最大數據塊的長(cháng)度；一次可擦除的塊數量；卡的讀取、寫(xiě)入、擦除操作的超時(shí)時(shí)間。

SD卡讀/寫(xiě)軟件包中定義了一個(gè)全局變量sds,軟件包的很多地方使用了這個(gè)全局變量。SD卡的寫(xiě)操作包括寫(xiě)單塊和寫(xiě)多塊兩種方式。SD卡的初始化函數SD_Initialixe（）已經(jīng)調用SD_SetBlockLen（）函數設定了讀/寫(xiě)數據的長(cháng)度為SD_BLOCKSIZE 字節，所以卡初始化以后，讀寫(xiě)都必須以塊為單位。

3 SD卡驅動(dòng)設計

Nios II軟件架構是建立在HAL（Hardware Abstraction Layer）基礎之上的。HAL為Nios II的軟件開(kāi)發(fā)者提供了操作底層硬件的編程接口。設備驅動(dòng)驅動(dòng)程序的編制一般要使用HAL提供的API函數以及C標準庫等。HAL提供的功能以及它與底層設備驅動(dòng)程序之間的關(guān)系如圖3所示，這種模塊化的設計架構可以加速應用程序的開(kāi)發(fā)。使用這種分層的體系架構，HAL層把應用程序和底層硬件驅動(dòng)程序之間隔離開(kāi)來(lái)，使得應用程序的開(kāi)發(fā)不依賴(lài)于底層HAL和硬件的變化，增加了應用程序的可移植性。設計驅動(dòng)程序最重要的是理解具體SD卡的讀寫(xiě)操作的過(guò)程，之后是如何和嵌入式操作系統連接起來(lái)。在編制好SD卡的驅動(dòng)程序后，在應用程序中操作SD卡就簡(jiǎn)單了。所以編制SD卡的驅動(dòng)在本設計中是重要的一部分。

圖3 基于HAL的系統層次結構

結束語(yǔ)

本文基于Nios II實(shí)現了對于SD卡的控制，不僅包括硬件設計還包括系統軟件設計。傳統的系統設計是基于硬核處理器的架構，系統的硬件設計受到了限制。SOPC的設計思想使得片上系統的設計更加靈活，硬件設計的限制因素基本不存在了。在一個(gè)FPGA的芯片上幾乎可以實(shí)現一個(gè)整個(gè)系統，對于系統的小型化的作用是顯著(zhù)的。本文對基于NiosⅡ的嵌入式系統的設計進(jìn)行了深入的研究，并在此基礎上，設計完成了以Altera公司的Cyclone III系列中的EP3C16 FPGA為核心芯片的SOPC開(kāi)發(fā)平臺。另外本文在此平臺之上，移植了嵌入式操作系統，并在此環(huán)境下實(shí)現了SD卡的接口設計，因此包括了整個(gè)的硬件和軟件設計。在系統設計的過(guò)程中，分析了Nios II 的Avalon總線(xiàn)的系統架構、SD 卡的通信協(xié)議。