基于SoPC的SD卡控制器IP核的設計
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4 文件系統移植
讀寫操作均以扇區為單位，SD卡僅相當于一塊容量較大的Flash，移植文件系統可方便地與PC機或其他電子產品數據交換以及后期分析處理。μC/FS是一種為其提供基本的硬件訪問功能即可應用于任何存儲介質的FAT文件系統，其使用標準ANSI C編寫可應用于幾乎任何CPU。μC/FS具有以下特點[4]：(1)支持DOS/Windows環境下的FAT12，FAT16 和FAT32。(2)支持多個存儲器共同工作，可以同時訪問多個存儲器。(3)多操作系統支持，可以很方便地移植到幾乎任何操作系統。(4)可以很容易地集成使用SPI模式的MMC/SD卡通用設備驅動等?；谝陨系奶攸c，μC/FS 非常適用于嵌入式系統。
4.1 μC/FS文件系統結構分析
μC/FS 采取分層工作方式，每一層負責不同的功能，由高層的數據抽象到底層的硬件實體分工明確，其系統結構層次劃分如圖2所示。
4.2 文件系統實現
在完成SD卡控制器及其軟件驅動并實現SD卡基礎讀寫的基礎上，按照μC/FS文件系統的接口函數編寫設備驅動程序并對系統參數做相應設置即可實現SD卡文件操作。μC/FS文件系統的接口函數主要通過一個結構體(FS__device_type)進行描述，該結構體包含了驅動設備的名稱以及4個基本的驅動設備掛接函數的函數指針：
typedef struct {
FS_FARCHARPTR name;
int (*dev_status)(FS_u32 Unit);
int(*dev_read)(FS_u32 Unit, FS_u32 Sector, void *pBuffer);
int(*dev_write)(FS_u32 Unit,FS_u32 Sector,void *pBuffer);
int(*dev_ioctl)( FS_u32 Unit, FS_i32 Cmd, FS_i32 Aux,
void *pBuffer);
} FS__device_type;
其中,dev_status()函數主要實現FAT表狀態信息的讀取,并表明該SD設備可以使用；dev_read()函數實現對SD卡進行文件系統塊數據的讀取；dev_write()函數實現對SD卡進行文件系統塊數據的寫入；dev_ioctl()函數則主要實現文件操作的相關指令,包括文件格式化、數據cache回寫等操作。
5 仿真與驗證
對SD卡控制器的仿真驗證工作主要從時序仿真和軟件驅動控制器讀寫SD卡進行文件操作驗證兩方面進行。
5.1 SD卡控制器的時序仿真
在Quartus II中創建波形激勵文件后,得到的時序仿真結果如圖3所示。在仿真圖中可以看出,控制器在初始化過程中，首先將CMD0（0x40）、參數(0x00000000)和命令校驗位(0x95)通過SPITrans模塊進行并/串轉后發送到SD卡的CMD線進行復位,等收到SD卡DAT線上發送回來的回執(0x01)后,接著發送CMD1(0x41)、參數（0x00000000）和命令校驗位(0xFF)到SD卡進行初始化。由此可見,SD卡控制器設計符合SD卡協議標準。
5.2文件操作驗證
通過調用μC/FS 文件系統提供的API函數,如：FS_Fopen()打開文件、FS_FRead()讀文件、FS_FWrite()寫文件等編寫測試程序如下:
void main(void)
{
char *device="sd:"
const char *WriteMsg="test sd card writen";
FS_Init(); /*初始化文件系統*/
show_free(device); /*顯示SD卡空間信息*/
write_file("test.txt",WriteMsg); /*寫入文件test.txt*/
show_directory(device); /*顯示根目錄文件信息*/
dump_file("test.txt"); /*讀test.txt文件內容*/
…
}
選用4 GB容量的SDHC卡,在PC機上將其格式化為FAT文件系統并創建文件夾HELLO和文件WORD.DOC。SD卡在線運行調試結果如圖4所示。由運行結果可知，初始化成功并識別此SD卡為SDHC (Secure Digital High Capacity)卡，卡容量為964 256(總簇數)×8（每簇扇區數）×512（每扇區字節數）≈3.7 GB。創建test.txt文件成功后讀取根目錄(有文件目錄hello、文件word.doc和文件test.txt),讀取文件test.txt內容為test sd card write與寫入一致。運行結果表明文件操作正確可靠。
通過對SD卡物理層協議和μC/FS 文件系統的研究，成功設計了具有Avalon總線接口的SD卡控制器，并通過時序仿真、軟件驅動的方式進行仿真和調試，驗證了SD卡控制器的工作情況，在此基礎上實現了SD卡中的文件操作，使SOPC設計能與PC機或各種電子產品方便地進行數據交換。本設計已成功應用在基于SOPC架構的多用途無線防盜監控系統中。
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