摘要：傳統(tǒng)嵌入式設(shè)備對(duì)SD卡的讀取一般基于硬件層面，這么做省資源但是換來的是時(shí)序麻煩，移植困難，讀取文件不靈活。針時(shí)資源較為豐富的嵌入式方案，利用SoPC技術(shù)和靈活的NIOSⅡ軟核，提出了一種在SD卡上建立了FAT32文件系統(tǒng)的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)文件的基本操作如新建、讀取、刪除等，并在SD卡根目錄里放置測(cè)試文檔。對(duì)NIOSⅡ的代碼實(shí)現(xiàn)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明NIOSⅡ順利地讀出了文檔里的內(nèi)容，以及根目錄其他文件夾。測(cè)試實(shí)驗(yàn)在Terasic的DE2系列開發(fā)板上通過驗(yàn)證。該方案方便了開發(fā)者對(duì)不同嵌入式設(shè)備進(jìn)行移植，使其更加專注于頂層操作。
關(guān)鍵詞：FPGA；SoPC；NIOSⅡ；SD卡；FAT

    SD卡中的數(shù)據(jù)是以塊為單位進(jìn)行存儲(chǔ)的，如果在硬件層面對(duì)其進(jìn)行操作，則不僅要非常了解SD卡的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，還要對(duì)FAT系統(tǒng)有深刻的理解，然后用復(fù)雜的時(shí)序狀態(tài)機(jī)對(duì)其扇區(qū)進(jìn)行初始化和讀取控制，對(duì)硬件直接進(jìn)行操作可以節(jié)省FPGA資源。為了更有效地組織和管理SD卡中的數(shù)據(jù)，必須采用文件的格式進(jìn)行組織數(shù)據(jù)，這就要求在SD卡中內(nèi)嵌文件系統(tǒng)。而隨著FPGA的高速發(fā)展，以Altera NIOSⅡ和Xilinx的Mic ro Blaze為代表的軟核處理器以其高可定制性、與ARM相比相同價(jià)格下的高性能得到廣泛的應(yīng)用。本文正是利用其豐富的外設(shè)和接口定制構(gòu)建SD卡的FAT文件系統(tǒng)。

1 接口和控制器的設(shè)計(jì)
1．1 接口的配置
    SD卡有SD模式和SPI模式2種，SPI是一種高速、同步、全雙工的通信總線，只占用4根信號(hào)線，節(jié)約芯片的管腳，有利于PCB的布局。前者速度較快，后者比較方便我們采用后者SPI與FPGA進(jìn)行通信，它由4個(gè)信號(hào)組成，分別是CS(片選信號(hào))、MOSI(主機(jī)到SD卡)、MISO(SD卡到主機(jī))、SCLK(主機(jī)和SD卡的同步時(shí)鐘)，以主從方式工作，本文中SPI為主機(jī)，SD卡是從機(jī)，處于單主單從模式。在由NIOSⅡ軟核處理器控制的Avalon總線下可以方便地與SD卡進(jìn)行對(duì)接。Avalon總線是一種將片上處理器和外設(shè)連接成片上可編程(SoPC)的一種簡(jiǎn)單總線結(jié)構(gòu)，它規(guī)定了主從設(shè)備之間的結(jié)構(gòu)方式及其通信方式，通過使用SoPCBuilder可以很方便地將自定義外設(shè)和其他組件組合起來，生成按照組件例化的系統(tǒng)模塊，并自動(dòng)生成內(nèi)部總線邏輯，自動(dòng)完成外設(shè)和存儲(chǔ)器的地址映射、中斷控制和總線控制。圖1所示為設(shè)備之間的連接示意圖，NIOSⅡ處理器和外設(shè)SD卡控制器的通過Avalon總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和溝通，SD卡控制器控制著外部SD卡存儲(chǔ)介質(zhì)。

1．2 控制器的設(shè)計(jì)
    SD卡控制器是FPGA和SD卡之間進(jìn)行通信的翻譯官，主要實(shí)現(xiàn)3大功能：
    (1)復(fù)位和初始化SD卡?？刂破靼凑誗D卡總線協(xié)議產(chǎn)生控制時(shí)序?qū)ζ溥M(jìn)行復(fù)位和初始化。
    (2)讀寫SD卡。控制器通過CMD線發(fā)送讀或者寫的命令以及SD卡扇區(qū)地址，確認(rèn)收到正確的響應(yīng)后，通過DAT線進(jìn)行讀和寫操作(分別涉及串并轉(zhuǎn)換和并串轉(zhuǎn)換)，一次傳輸一個(gè)扇區(qū)的數(shù)據(jù)(512 B)，傳輸完畢后將就緒信號(hào)置為有效。
    (3)設(shè)置SD卡。通過CMD線發(fā)送命令和參數(shù)，不發(fā)送或接受數(shù)據(jù)。
1．3 SoPC中的硬件搭建
    SoPC(System on a Programmable Chip)，即可編程片上系統(tǒng)，用可編程邏輯把整個(gè)系統(tǒng)放到一塊硅片上，是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)，可以編程的片上系統(tǒng)(SOC)。
    借助于Altera SoPC方便的組件定制、硬件組裝和它的靈活的設(shè)計(jì)方式，不用一個(gè)個(gè)親自用硬件語言去實(shí)現(xiàn)各個(gè)組件，只需要在SoPC里定制，最后結(jié)果如圖2所示，因?yàn)镾D卡的工作頻率最高為25 MHz，與FPGA自身的時(shí)鐘頻率不一定一樣，所以要加上clock_crossing用于協(xié)調(diào)2個(gè)不同的時(shí)鐘域。onchip_memory是片內(nèi)存儲(chǔ)器，用于儲(chǔ)存程序運(yùn)行的代碼或者堆棧之類的變量。timer和sysid用來協(xié)調(diào)這些組件良好運(yùn)作，例如SoPC Builder會(huì)使用System ID為每個(gè)系統(tǒng)提供識(shí)別符號(hào)，NIOSⅡEDS可以用此防止使用者燒錄與硬件信息不符合的sof文件。Timer是內(nèi)部時(shí)鐘定時(shí)。如果丟失這兩個(gè)組件，會(huì)導(dǎo)致最后的軟件運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤。其中sd_wp_n是SD卡寫保護(hù)信號(hào)線，由于默認(rèn)激活SD卡所以片選信號(hào)沒加。altpll是鎖相環(huán)，用來調(diào)節(jié)穩(wěn)定所需的時(shí)鐘信號(hào)，DE2系列的開發(fā)板上都有1到2個(gè)鎖相環(huán)。jtag_uart用來調(diào)試、打印數(shù)據(jù)到控制臺(tái)，驗(yàn)證讀取寫入的數(shù)據(jù)是否相同。

2 驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)
    SD卡處于SPI模式的驅(qū)動(dòng)主要包含有：
    (1)SPI底層的操作，SPI的命令和數(shù)據(jù)塊都是以8個(gè)比特為單位進(jìn)行分組和發(fā)送的。
    (2)關(guān)于CMD的操作，主要有SD卡的初始化以及SD卡的讀寫，先發(fā)送命令然后再發(fā)送CRC校驗(yàn)。
    (3)CRC校驗(yàn)使用NIOSⅡ來解決這個(gè)問題：NIOSⅡ軟件架構(gòu)建立在硬件抽象層HAL(Hardware Abstraction Layer)之上，HAL為NIOS軟件開發(fā)者提供了編程接口、底層的設(shè)備驅(qū)動(dòng)、HAL API、和C標(biāo)準(zhǔn)庫等資源，表1為系統(tǒng)整體的架構(gòu)示意。

    HAL的系統(tǒng)庫為NIOSⅡ軟件設(shè)計(jì)人員提供了應(yīng)用程序與底層硬件交互的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口，簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的開發(fā)。HAL系統(tǒng)庫也為應(yīng)用程序與底層硬件驅(qū)動(dòng)劃分了一條清晰的分界線，提高了應(yīng)用程序的復(fù)用性，使得應(yīng)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(gè)步驟：
    (1)適當(dāng)延時(shí)等待SD就緒；
    (2)發(fā)送74+個(gè)spi_clk，且保持spi_cs_n=1 spi_mosi=1；
    (3)發(fā)送CMD0命令并等待響應(yīng)R1=8’H01，將卡復(fù)位到IDLE；
    (4)發(fā)送CMD1命令并等待響應(yīng)R1=8’H00，激活卡的初始化進(jìn)程；
    (5)發(fā)送CMD16命令并等待響應(yīng)R1=8’H00，設(shè)置一次讀寫B(tài)LOCK的長(zhǎng)度。
    SD卡的數(shù)據(jù)讀取操作也大致可以分為以下步驟：
    (1)發(fā)送命令CMD17；
    (2)接受讀數(shù)據(jù)起始令牌0xFE；
    (3)讀取512 B數(shù)據(jù)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(shù)來實(shí)現(xiàn)上述復(fù)雜的步驟：
    extern INT8U SPI Sendbvte(INT8U data)
    extern INT8U SPI_Recibyte(void)
    上面分別是SPI發(fā)送1 B以及接收1 B，這2個(gè)函數(shù)的使用需要調(diào)用SoPC中的SPI核中的庫函數(shù)，然后是SD卡的初始化和讀寫函數(shù)：
    初始化： extern int SD_Reset(void)；
    讀一扇區(qū)：extern inI SD_ReadBlock(INT32Ublockaddr，INT8U*recibuf)；
    寫一扇區(qū)：extern int SD_WriteBlock(INT32Ublockaddr，INT8U*sendbuf)；
    通過這些代碼，可以一步步的向SD卡發(fā)送CMD指令，使其復(fù)位，激活成SPI模式，并設(shè)置塊大小為512 B。

3 文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    若讀寫操作都是以扇區(qū)為單位，SD卡僅相當(dāng)于FLASH。為了管理SD卡中的數(shù)據(jù)，并方便在Windows系統(tǒng)中訪問SD卡中的數(shù)據(jù)，就必須將SD卡中的數(shù)據(jù)有效組織起來，以文件的形式進(jìn)行存儲(chǔ)和訪問，可以給SD卡創(chuàng)建一個(gè)文件系統(tǒng)，常見的是微軟公司推出的FAT16和進(jìn)化版FAT32。
    FAT存儲(chǔ)原理：FAT16由6部分組成，首先是引導(dǎo)扇區(qū)(DBR)，引導(dǎo)扇區(qū)(DBR)即操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)，通常占用分區(qū)的第0扇區(qū)共512 B。在512 B中，又由跳轉(zhuǎn)指令、廠商標(biāo)志、操作系統(tǒng)版本號(hào)、BPB、擴(kuò)展BPB、OS引導(dǎo)程序、結(jié)束標(biāo)志幾部分組成。如圖3所示，根文件夾緊跟著的是FAT表(FAT1，F(xiàn)AT2，F(xiàn)AT2是FAT1的備份)，F(xiàn)AT表是FAT16文件系統(tǒng)用來記錄磁盤數(shù)據(jù)簇鏈結(jié)構(gòu)的，F(xiàn)AT中磁盤空間按照一定數(shù)目的扇區(qū)為最單位進(jìn)行劃分，這種單位稱為簇，一般每扇區(qū)分為512 B，而簇的大小是2n(n為整數(shù))個(gè)扇區(qū)，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(qū)太小，如果用扇區(qū)的話對(duì)大文件的存取會(huì)消耗很多資源，增加FAT表的項(xiàng)數(shù)，這樣文件系統(tǒng)的效率就非常低。

    文件系統(tǒng)本質(zhì)上就是把上層對(duì)文件的操作轉(zhuǎn)換為底層對(duì)數(shù)據(jù)簇的操作(例如初始化，讀扇區(qū)，寫扇區(qū)等)。
    本文中最底層的2個(gè)函數(shù)如下：
   
   
    有了這些底層函數(shù)和API函數(shù)后，要對(duì)SD卡進(jìn)行操作只需要在NIOS的頂層main．C文件里面調(diào)用這些函數(shù)。用軟件的方法完成順序執(zhí)行的操作，而這正是硬件執(zhí)行的軟肋。下面列出main函數(shù)核心的代碼：
   
    測(cè)試：在一張SD卡里存放了一個(gè)test．txt文件，插到開發(fā)板的SD卡槽里。最后的圖4是NIOS控制臺(tái)最終的運(yùn)行結(jié)果，程序正確的顯示出了卡里面的文件夾和文件，以及test．txt里面的文件內(nèi)容，驗(yàn)證了本系統(tǒng)可以正確運(yùn)行。

4 結(jié)語
    本設(shè)計(jì)基于SoPC以NIOSⅡ軟核處理器為控制核心，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的FAT32文件系統(tǒng)規(guī)范，完成了對(duì)SD卡的基礎(chǔ)操作。該設(shè)計(jì)雖比硬件讀取占用稍稍多點(diǎn)的資源，但是方便了開發(fā)者對(duì)嵌入式設(shè)備外設(shè)的操作和移植，有非常實(shí)際的可操作性和應(yīng)用。