基于SoPC的SD卡控制器IP核的設計

摘 要:　針對目前在嵌入式平臺中使用SD卡控制器專用芯片價格昂貴、軟件模擬SPI時序控制讀寫速度較慢的問題，提出了一種基于SoPC技術的SD卡控制器IP核設計的架構方案。采用VHDL語言設計SD卡控制器IP核，利用自定義模塊技術將其添加到SoPC中，利用Nios II IDE編寫SD卡的基礎讀寫驅動軟件并移植μC/FS文件系統，實現對SD卡的文件操作。該設計具有使用方便、集成度高、數據傳輸可靠、文件格式通用等特點，在基于SoPC架構的多用途無線防盜監控系統中得到良好的應用。
關鍵詞： 可編程片上系統; SD卡; μC/FS文件系統; 控制器; IP核

　隨著電子產品的音頻、視頻等多媒體功能的不斷增強，嵌入式系統對存儲介質的容量、安全、性能、價格等提出了更高的要求，而SD卡因其價格低廉、速度快、容量大和兼容性好（兼容MMC卡協議）等特點在嵌入式平臺中得到了廣泛的使用。目前在嵌入式平臺中使用SD卡的方式主要有：(1)系統中使用帶SD卡控制器的電路模塊或芯片。(2)將I/O口與SD卡接口連接以軟件模擬SPI時序控制其讀寫。方式(1)使用方便、控制簡單，但是增加了硬件電路復雜度和成本；方式(2)電路雖然結構簡單，但是讀寫速度慢。
　針對上述缺陷，本文提出了基于SoPC技術的SD卡控制器的架構方案，即在Altera公司提供的Quartus II軟件中開發SD卡控制器并在SoPC Builder中將其作為一個獨立的IP核集成到SoPC中，通過軟件驅動控制器以實現SD卡讀寫及文件操作，使其系統設計靈活、集成度高、讀寫速度快，為SOPC設計中使用非易失性存儲提供了新的方案。

1 SD卡協議規范
SD聯盟在2000年和2006年分別發布了SD卡規范1.0和2.0版本，SD卡規范主要包括物理層規范[1]、文件系統規范和安全規范三部分內容,最大支持容量為32 GB，支持的文件系統為FAT16和FAT32。
　SD卡內部不僅有大量的存儲單元，還有卡接口控制器、寄存器等，外部控制器不能直接訪問存儲器，所有對SD卡的操作如讀/寫、設置塊長度、擦除等都是由卡接口控制器根據收到的命令自動完成，減少了外部控制器對存儲器操作的負擔[2]。SD卡支持SD和SPI兩種工作模式，兩種模式下SD卡的管腳意義如表1所示。SD模式下數據采用4線并行傳輸，速度較快。而SPI模式接口協議簡單，在各嵌入式平臺中的通用性好，故本設計中采用SPI模式。　

2 SD卡控制器IP核設計
　SD卡工作在SPI模式下,其總線主要有時鐘線CLK、命令線CMD、數據線DAT和片選線CS。SD卡控制器主要實現三大功能：
　(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。控制器首先通過CMD線發送讀或寫命令和扇區地址，等收到正確的命令回執后，將DAT線上傳輸的串行數據進行串/并轉換，然后存儲在控制器內部緩存中(寫數據則將控制器內部緩存中的數據并/串轉換后從DAT線發送到SD卡)，一個扇區數據(512 B)傳輸完畢后將就緒信號置為有效。
　(3)設置SD卡。設置操作與讀寫操作相同，都是發送命令和參數，只是不接收和發送數據。
　需要特別指出的是：CLK信號由控制器產生，對SD卡的命令或數據傳輸等一系列操作均要與該時鐘同步(SD卡的最大工作時鐘為25 MHz)。
　SD控制器的功能模塊劃分如圖1所示。

2.1 總線接口模塊
總線接口模塊SDInterface是整個SD卡控制器的核心，其端口信號遵循Avalon協議規范[3]，主要負責連接Avalon總線、緩存SD卡命令、緩存扇區地址、將要發送的數據送至緩存(雙口RAM)以及從緩存中讀取數據等。
　當處理器要對SD卡進行初始化時，需要寫SDInterface模塊的特定地址，之后SDInterface選擇啟動復位/初始化模塊(SDInit)，由SDInit完成SD卡的初始化工作。
　向SD卡寫數據時,需要先通過SDInterface模塊將要寫的數據緩存到雙口RAM中,然后將扇區地址和寫命令(CMD24)發送到SDInterface模塊的特定地址，之后SDInterface會啟動命令控制(SDcmd)模塊并將命令和地址傳遞給后者，最后由SDcmd模塊完成一次寫操作。
從SD卡中讀數據或對SD卡進行其他操作與向SD卡寫數據過程基本一致，處理器首先向SDInterface發送命令和參數(如果是讀寫操作，則參數即為扇區地址)，之后SDInterface啟動SDCmd模塊并由SDCmd模塊完成后續操作(如果是讀操作則將讀得的數據緩存到雙口RAM中)。

2.2 初始化模塊
　 對SD卡進行讀寫或其他操作前首先應將其初始化。初始化模塊SDInit主要負責完成SD卡的初始化工作，主要工作流程如下：
　(1)當總線接口模塊使能SDInit后，SDInit通過SPITrans模塊向SD卡發送復位命令(CMD40)。
　(2)等待復位命令的回執，如果復位成功(返回值為0x01)，則轉向步驟(3),否則繼續等待。
　(3)向SD卡發送初始化命令(CMD41)，等待初始化命令的回執并將執行結果返回給SDInterface以便通知處理器。

2.3 命令控制模塊
　命令控制模塊SDCmd主要完成SD卡命令、參數、命令校驗值的發送和命令回執的讀取（如果是讀寫操作,則還要進行數據的發送和接收）。
　SDInterface模塊使能SDCmd前會將SD命令、參數傳遞給SDCmd，這樣SDCmd使能后,首先通過SPITrans模塊將得到的命令、參數發送到SD卡,然后等待命令回執，如果當前命令是讀、寫之外的其他命令，則將執行結果返回給SDInterface模塊即可;如果是讀、寫命令則收到正確的命令回執后，則還要將數據接收并存到緩存或發送到SD卡。

2.4 選擇器和雙口RAM
　選擇器模塊Mux主要用來根據當前操作從SDInit模塊和SDCmd模塊的輸出信號中選擇一路送至SPITrans模塊。雙口RAM是SD控制器的緩存，用來存儲發送到SD卡和從SD卡上讀取的數據。

2.5 串/并、并/串轉換及時鐘產生模塊
　SPITrans模塊主要負責串/并轉換、并/串轉換和SD卡時鐘產生。當SPITrans模塊使能后，它通過對輸入時鐘進行分頻產生SD卡時鐘，并在8個SD卡時鐘周期內將選擇器輸出的8位并行數據轉換為串行數據發送到SD卡，同時將SD卡DAT線上的串行數據轉換為并行數據返回給SDInit模塊和SDCmd模塊。

3 基礎讀寫設計
　SD卡控制器軟件的編寫在Altera公司的Quartus II中完成，使用SOPC Builder工具將具有Avalon總線接口的SD卡控制器封裝成IP 核并集成到SOPC中，利用Nios II IDE編寫軟件驅動實現SD卡的基礎讀寫(以扇區為單位進行讀寫）。寫數據到SD卡扇區操作函數如下：
int sd_write(UINT8 *data, UINT32 addr)
{
int ret, i=0, j=0;
if(sd_type == 1) addr = addr 9;
/*判斷地址偏移*/
for(i=0; i512; i++)
　 IOWR(SD_CARD_BASE, i, data[i]);
/*寫數據*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 517, CMD24);
/*寫入地址*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 518, addr);
/*開始運行*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 519, 0);
/*讀命令回執*/
ret = IORD(SD_CARD_BASE, 519);
…
}