基于Nios II 軟核處理器的SD卡接口設計

接著要對選中的Nios標準內核進行配置，這里要考慮的問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,在滿足性能的條件下，盡可能使用較少的片內存儲器。

對于一個實際的系統，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Avalon總線和片外存儲器以及外部設備連接。外部存儲器件的類型包括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所采用的時鐘和FPGA 的時鐘密切相關，一般是通過鎖相環PLL 把外部輸入的時鐘進行倍頻之后再送給Nios II來作為主頻使用，同時外部設備也使用時鐘信號。外部時鐘信號為25MHz,而經過倍頻后為50MHz.

至此，主要的配置過程就結束了。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先級；

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

（3） 在生成NiosⅡ系統時，可以選擇生成Verilog語言還是VHDL 語言，本設計采用VHDL語言進行設計；

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

（5） 編譯整個NiosⅡ系統，在Altera 提供的開發環境Quartus II 中進行編譯。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公司為了用戶方便使用Nios II來快速研制產品，提供了功能強大、易于使用的Nios II集成開發環境，與一般的嵌入式系統開發設計比較類似。在生成NiosII的過程中已經自動生成了需要使用的頭文件（一般是C語言的頭文件），同時一般外圍設備的驅動程序也可以生成。對于嵌入式操作系統，可以使用用戶自己裁剪的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版本的開發環境。

2.1 SD卡初始化

在對SD 卡進行讀/寫之前，必須知道卡的類型、卡的容量、卡的大小等信息。具體來說，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卡內部控制電路進行初始化處理，使SD卡進入SPI 模式；

（2） 發送命令查詢SD卡是否支持3.3V供電；

（3） 調整SPI時鐘頻率；

（4） 根據編譯選項使能或者禁止通信過程中的CRC校驗；

（5） 設置用于讀/寫操作的塊數據長度；

（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的，它讀取SD卡內部CSD寄存器，然后對全局變量sds進行賦值。

2.2 SD卡讀寫操作

對SD卡的讀寫操作需要知道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度；一次可擦除的塊數量；卡的讀取、寫入、擦除操作的超時時間。

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

3 SD卡驅動設計

Nios II軟件架構是建立在HAL（Hardware Abstraction Layer）基礎之上的。HAL為Nios II的軟件開發者提供了操作底層硬件的編程接口。設備驅動驅動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程序之間的關系如圖3所示，這種模塊化的設計架構可以加速應用程序的開發。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程序之間隔離開來，使得應用程序的開發不依賴于底層HAL和硬件的變化，增加了應用程序的可移植性。設計驅動程序最重要的是理解具體SD卡的讀寫操作的過程，之后是如何和嵌入式操作系統連接起來。在編制好SD卡的驅動程序后，在應用程序中操作SD卡就簡單了。所以編制SD卡的驅動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

本文基于Nios II實現了對于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FPGA的芯片上幾乎可以實現一個整個系統，對于系統的小型化的作用是顯著的。本文對基于NiosⅡ的嵌入式系統的設計進行了深入的研究，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開發平臺。另外本文在此平臺之上，移植了嵌入式操作系統，并在此環境下實現了SD卡的接口設計，因此包括了整個的硬件和軟件設計。在系統設計的過程中，分析了Nios II 的Avalon總線的系統架構、SD 卡的通信協議。