基于SoPC和NIOS II的SD卡文件系統的設計

HAL的系統庫為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。HAL系統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)發送74+個spi_clk，且保持spi_cs_n=1 spi_mosi=1；
(3)發送CMD0命令并等待響應R1=8’H01，將卡復位到IDLE；
(4)發送CMD1命令并等待響應R1=8’H00，激活卡的初始化進程；
(5)發送CMD16命令并等待響應R1=8’H00，設置一次讀寫BLOCK的長度。
SD卡的數據讀取操作也大致可以分為以下步驟：
(1)發送命令CMD17；
(2)接受讀數據起始令牌0xFE；
(3)讀取512 B數據以及2 B的CRC。
借助于NIOSⅡ可以軟件編寫最底層的SPI操作函數來實現上述復雜的步驟：
extern INT8U SPI Sendbvte(INT8U data)
extern INT8U SPI_Recibyte(void)
上面分別是SPI發送1 B以及接收1 B，這2個函數的使用需要調用SoPC中的SPI核中的庫函數，然后是SD卡的初始化和讀寫函數：
初始化： extern int SD_Reset(void)；
讀一扇區：extern inI SD_ReadBlock(INT32Ublockaddr，INT8U*recibuf)；
寫一扇區：extern int SD_WriteBlock(INT32Ublockaddr，INT8U*sendbuf)；
通過這些代碼，可以一步步的向SD卡發送CMD指令，使其復位，激活成SPI模式，并設置塊大小為512 B。

3 文件系統的設計
若讀寫操作都是以扇區為單位，SD卡僅相當于FLASH。為了管理SD卡中的數據，并方便在Windows系統中訪問SD卡中的數據，就必須將SD卡中的數據有效組織起來，以文件的形式進行存儲和訪問，可以給SD卡創建一個文件系統，常見的是微軟公司推出的FAT16和進化版FAT32。
FAT存儲原理：FAT16由6部分組成，首先是引導扇區(DBR)，引導扇區(DBR)即操作系統引導記錄區，通常占用分區的第0扇區共512 B。在512 B中，又由跳轉指令、廠商標志、操作系統版本號、BPB、擴展BPB、OS引導程序、結束標志幾部分組成。如圖3所示，根文件夾緊跟著的是FAT表(FAT1，FAT2，FAT2是FAT1的備份)，FAT表是FAT16文件系統用來記錄磁盤數據簇鏈結構的，FAT中磁盤空間按照一定數目的扇區為最單位進行劃分，這種單位稱為簇，一般每扇區分為512 B，而簇的大小是2n(n為整數)個扇區，所以簇的大小一般是512 B，1 KB，2 KB，4 KB等，一般不超過32 KB。以簇為單位的原因是扇區太小，如果用扇區的話對大文件的存取會消耗很多資源，增加FAT表的項數，這樣文件系統的效率就非常低。

文件系統本質上就是把上層對文件的操作轉換為底層對數據簇的操作(例如初始化，讀扇區，寫扇區等)。
本文中最底層的2個函數如下：