FPGA和Nios II軟核的SD卡文件系統實現方法

摘要：利用Cyclone II系列FPGA構建了一種用于SD卡讀寫的SPI控制器，并在其上實現了一個基于Nios II軟核處理器的嵌入式文件系統。此文件系統是通過在Nios II EDS開發平臺上移植znFAT32文件系統實現的。
關鍵詞：Cyclone II；FPGA；Nios II；SD卡；znFAT32文件系統

引言
在嵌入式系統或移動設備上使用SD卡，接口的構建和文件系統實現是必須解決的問題。本文探討在CycloneII平臺為基礎的嵌入式系統上，實現SD卡接口和文件系統的實現方法。
基于FPGA IP軟核處理器的嵌入式系統，因其集成度高、可靈活配置和性價比方面的優勢，已經逐漸逼近甚至趕超采用專用集成電路(ASIC)的設計方案。
利用Nios II可定制周邊設備的特點，在FPGA中，通過DHL編程構造出SD卡需要的SPI接口和其他控制信號的方式。在此基礎上，在Nios II處理器上實現了一個靈活的文件系統。
基于FPGA和Nios II軟核構建SOPC嵌入式文件系統，本文所做的工作包括：Nios II處理器IP軟核的最小SOPC系統的構建，SD卡的底層扇區讀寫驅動程序的編寫方式，znFAT32文件系統的移植，以及對SD卡文件操作的實現等。

1 基于Nios II軟核的SOPC系統構建
1．1 SOPC系統的結構
如圖1所示，基于NiosII的SOPC系統包括如下部分：

①系統核心模塊：Nios II處理器。
②處理器外圍支持電路：時鐘單元以及存儲器單元SDRAM控制器(包括存儲代碼的ROM與存儲變量的RAM)部分。
③程序下載調試模塊：JTAG接口控制器和異步通信接口(UART用于打印調試信息)。
④片上系統的內部外設模塊：諸如定時器、UART、SPI、GPIO等，這部分總的功能電路可根據需要配置，在本例的實驗驗證中，主要用到SD卡的接口是SPI。
⑤EPCS控制器：由于FPGA是基于RAM的結構框架，掉電后代碼會丟失。所以FPGA需要配置一個ROM在上電后將代碼加載到RAM中運行。在SOPC系統中，EPCS控制器有兩個作用，一是用來幫助EDS工具將軟件程序下載到EPCS芯片中去，二是在FPGA配置完成后引導EPCS芯片中的程序加載到SDRAM中去運行。
1．2 Cyclone II構建SOPC系統的過程
Altera公司為在其生產的FPGA上構建SOPC，不僅提供了各種使用的IP核模塊，還提供了極為友好的集成開發環境Quartus II。在Quartus II中，有一個工具SOPCBuilder，可以幫助用戶通過添加和配置(給出參數)IP核的方式，自動構建Verilog HDL語言硬件代碼。
在Quartus II中，構建SOPC系統的流程如圖2所示。