基于SoPC和NIOS II的SD卡文件系統的設計

摘要：傳統嵌入式設備對SD卡的讀取一般基于硬件層面，這么做省資源但是換來的是時序麻煩，移植困難，讀取文件不靈活。針時資源較為豐富的嵌入式方案，利用SoPC技術和靈活的NIOSⅡ軟核，提出了一種在SD卡上建立了FAT32文件系統的方法，實現了對文件的基本操作如新建、讀取、刪除等，并在SD卡根目錄里放置測試文檔。對NIOSⅡ的代碼實現進行測試，結果表明NIOSⅡ順利地讀出了文檔里的內容，以及根目錄其他文件夾。測試實驗在Terasic的DE2系列開發板上通過驗證。該方案方便了開發者對不同嵌入式設備進行移植，使其更加專注于頂層操作。
關鍵詞：FPGA；SoPC；NIOSⅡ；SD卡；FAT

SD卡中的數據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卡的數據存儲結構，還要對FAT系統有深刻的理解，然后用復雜的時序狀態機對其扇區進行初始化和讀取控制，對硬件直接進行操作可以節省FPGA資源。為了更有效地組織和管理SD卡中的數據，必須采用文件的格式進行組織數據，這就要求在SD卡中內嵌文件系統。而隨著FPGA的高速發展，以Altera NIOSⅡ和Xilinx的Mic ro Blaze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。

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，它規定了主從設備之間的結構方式及其通信方式，通過使用SoPCBuilder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模塊，并自動生成內部總線邏輯，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總線結構進行數據交換和溝通，SD卡控制器控制著外部SD卡存儲介質。

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3大功能：
(1)復位和初始化SD卡。控制器按照SD卡總線協議產生控制時序對其進行復位和初始化。
(2)讀寫SD卡。控制器通過CMD線發送讀或者寫的命令以及SD卡扇區地址，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)，一次傳輸一個扇區的數據(512 B)，傳輸完畢后將就緒信號置為有效。
(3)設置SD卡。通過CMD線發送命令和參數，不發送或接受數據。
1．3 SoPC中的硬件搭建
SoPC(System on a Programmable Chip)，即可編程片上系統，用可編程邏輯把整個系統放到一塊硅片上，是一種特殊的嵌入式系統，可以編程的片上系統(SOC)。
借助于Altera SoPC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25 MHz，與FPGA自身的時鐘頻率不一定一樣，所以要加上clock_crossing用于協調2個不同的時鐘域。onchip_memory是片內存儲器，用于儲存程序運行的代碼或者堆棧之類的變量。timer和sysid用來協調這些組件良好運作，例如SoPC Builder會使用System ID為每個系統提供識別符號，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錯誤。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，用來調節穩定所需的時鐘信號，DE2系列的開發板上都有1到2個鎖相環。jtag_uart用來調試、打印數據到控制臺，驗證讀取寫入的數據是否相同。