SD卡中的數(shù)據(jù)是以塊為單位進行存儲的，如果在硬件層面對其進行操作，則不僅要非常了解SD卡的數(shù)據(jù)存儲結構，還要對FAT系統(tǒng)有深刻的理解，然后用復雜的時序狀態(tài)機對其扇區(qū)進行初始化和讀取控制，對硬件直接進行操作可以節(jié)省FPGA資源。為了更有效地組織和管理SD卡中的數(shù)據(jù)，必須采用文件的格式進行組織數(shù)據(jù)，這就要求在SD卡中內(nèi)嵌文件系統(tǒng)。而隨著FPGA的高速發(fā)展，以Altera NIOSⅡ和Xilinx的MicroBlaze為代表的軟核處理器以其高可定制性、與ARM相比相同價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(tǒng)。

　　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，只占用4根信號線，節(jié)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進行通信，它由4個信號組成，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總線下可以方便地與SD卡進行對接。Avalon總線是一種將片上處理器和外設連接成片上可編程（SoPC）的一種簡單總線結構，它規(guī)定了主從設備之間的結構方式及其通信方式，通過使用SoPC Builder可以很方便地將自定義外設和其他組件組合起來，生成按照組件例化的系統(tǒng)模塊，并自動生成內(nèi)部總線邏輯，自動完成外設和存儲器的地址映射、中斷控制和總線控制。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Avalon總線結構進行數(shù)據(jù)交換和溝通，SD卡控制器控制著外部SD卡存儲介質(zhì)。

　　1.2 控制器的設計

　　SD卡控制器是FPGA和SD卡之間進行通信的翻譯官，主要實現(xiàn)3大功能：（1）復位和初始化SD卡。控制器按照SD卡總線協(xié)議產(chǎn)生控制時序對其進行復位和初始化。

　?。?）讀寫SD卡?？刂破魍ㄟ^CMD線發(fā)送讀或者寫的命令以及SD卡扇區(qū)地址，確認收到正確的響應后，通過DAT線進行讀和寫操作（分別涉及串并轉換和并串轉換），一次傳輸一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)（512B），傳輸完畢后將就緒信號置為有效。

　?。?）設置SD卡。通過CMD線發(fā)送命令和參數(shù)，不發(fā)送或接受數(shù)據(jù)。

　　圖1 設備連接示意圖

　　1.3 SoPC中的硬件搭建

　　SoPC（SystemonaProgrammableChip），即可編程片上系統(tǒng)，用可編程邏輯把整個系統(tǒng)放到一塊硅片上，是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，可以編程的片上系統(tǒng)（SOC）。

　　借助于AlteraSoPC方便的組件定制、硬件組裝和它的靈活的設計方式，不用一個個親自用硬件語言去實現(xiàn)各個組件，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25MHz，與FPGA自身的時鐘頻率不一定一樣，所以要加上clock＿crossing用于協(xié)調(diào)2個不同的時鐘域。onchip＿memory是片內(nèi)存儲器，用于儲存程序運行的代碼或者堆棧之類的變量。timer和sysid用來協(xié)調(diào)這些組件良好運作，例如SoPCBuilder會使用SystemID為每個系統(tǒng)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(nèi)部時鐘定時。如果丟失這兩個組件，會導致最后的軟件運行出現(xiàn)錯誤。

　　圖2 SoPC組件定制

　　其中sd＿wp＿n是SD卡寫保護信號線，由于默認激活SD卡所以片選信號沒加。altpll是鎖相環(huán)，用來調(diào)節(jié)穩(wěn)定所需的時鐘信號，DE2系列的開發(fā)板上都有1到2個鎖相環(huán)。jtag＿uart用來調(diào)試、打印數(shù)據(jù)到控制臺，驗證讀取寫入的數(shù)據(jù)是否相同。

　　2 驅動程序的設計

　　SD卡處于SPI模式的驅動主要包含有：（1）SPI底層的操作，SPI的命令和數(shù)據(jù)塊都是以8個比特為單位進行分組和發(fā)送的。

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

　?。?）CRC校驗使用NIOSⅡ來解決這個問題：NIOSⅡ軟件架構建立在硬件抽象層HAL（Hardware AbstractionLayer）之上，HAL為NIOS軟件開發(fā)者提供了編程接口、底層的設備驅動、HALAPI、和C標準庫等資源［6］，表1為系統(tǒng)整體的架構示意。

　　HAL的系統(tǒng)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接口，簡化了應用程序的開發(fā)。HAL系統(tǒng)庫也為應用程序與底層硬件驅動劃分了一條清晰的分界線，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卡的上電初始化過程可以分成以下5個步驟：（1）適當延時等待SD就緒；（2）發(fā)送74＋個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，激活卡的初始化進程；（5）發(fā)送CMD16命令并等待響應R1＝8‘H00，設置一次讀寫B(tài)LOCK的長度。

　　SD卡的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)起始令牌0xFE；（3）讀取512B數(shù)據(jù)以及2B的CRC.借助于NIOSⅡ可以軟件編寫最底層的SPI操作函數(shù)來實現(xiàn)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個函數(shù)的使用需要調(diào)用SoPC中的SPI核中的庫函數(shù)，然后是SD卡的初始化和讀寫函數(shù)：初始化：externintSD＿Reset（void）；讀一扇區(qū)：externintSD＿ReadBlock（INT32U blockaddr，INT8U＊recibuf）；寫一扇區(qū)：externintSD＿WriteBlock（INT32U blockaddr，INT8U＊sendbuf）；通過這些代碼，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(tǒng)的設計

　　若讀寫操作都是以扇區(qū)為單位，SD卡僅相當于FLASH.為了管理SD卡中的數(shù)據(jù)，并方便在Windows系統(tǒng)中訪問SD卡中的數(shù)據(jù)，就必須將SD卡中的數(shù)據(jù)有效組織起來，以文件的形式進行存儲和訪問，可以給SD卡創(chuàng)建一個文件系統(tǒng)，常見的是微軟公司推出的FAT16和進化版FAT32. FAT存儲原理［7－8］：FAT16由6部分組成，首先是引導扇區(qū)（DBR），引導扇區(qū)（DBR）即操作系統(tǒng)引導記錄區(qū)，通常占用分區(qū)的第0扇區(qū)共512B.在512B中，又由跳轉指令、廠商標志、操作系統(tǒng)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］，根文件夾緊跟著的是FAT表（FAT1，F(xiàn)AT2，F(xiàn)AT2是FAT1的備份），F(xiàn)AT表是FAT16文件系統(tǒng)用來記錄磁盤數(shù)據(jù)簇鏈結構的，F(xiàn)AT中磁盤空間按照一定數(shù)目的扇區(qū)為最單位進行劃分，這種單位稱為簇，一般每扇區(qū)分為512B，而簇的大小是2n（n為整數(shù)）個扇區(qū)，所以簇的大小一般是512B，1KB，2KB，4KB等，一般不超過32KB.以簇為單位的原因是扇區(qū)太小，如果用扇區(qū)的話對大文件的存取會消耗很多資源，增加FAT表的項數(shù)，這樣文件系統(tǒng)的效率就非常低。

　　引導扇區(qū)根文件夾FAT1FAT2其他文件系統(tǒng)本質(zhì)上就是把上層對文件的操作轉換為底層對數(shù)據(jù)簇的操作（例如初始化，讀扇區(qū)，寫扇區(qū)等）。

　　圖3 FAT結構

　　本文中最底層的2個函數(shù)如下：FAT＿ReadSector，F(xiàn)AT＿WriteSector文件系統(tǒng)目錄的數(shù)據(jù)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(shù)進行調(diào)用的應用層函數(shù)有：FAT＿Init（初始化函數(shù)）

　　FAT＿GetSize（獲取磁盤大?。?/p>

　　FAT＿Open＿File（打開文件）

　　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(shù)和API函數(shù)后，要對SD卡進行操作只需要在NIOS的頂層main.C文件里面調(diào)用這些函數(shù)。用軟件的方法完成順序執(zhí)行的操作，而這正是硬件執(zhí)行的軟肋。下面列出main函數(shù)核心的代碼：while（1）｛printf（“。。。。。。＼r＼n”）；hfat＝fat＿mount（SD＿CARD，0）；if（hFat）｛printf（“SD卡加載成功?。躰”）；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＼r＼n”）；｝else｛printf（“無法加載SD卡，請仔細檢查是否插入并按KEY鍵重試＼r＼n”）；｝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test.txt文件，插到開發(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(nèi)容，驗證了本系統(tǒng)可以正確運行。

　　圖4 NIOSⅡ運行結果

　　4結語

　　本設計基于SoPC以NIOSⅡ軟核處理器為控制核心，根據(jù)標準的FAT32文件系統(tǒng)規(guī)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的資源，但是方便了開發(fā)者對嵌入式設備外設的操作和移植，有非常實際的可操作性和應用。