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MicroBlaze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(xiàn)，只占用4根信號(hào)線(xiàn)，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(xiàn)下可以方便地與SD卡進(jìn)行對(duì)接。Avalon總線(xiàn)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(xiàn)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(guò)使用SoPC Builder可以很方便地將自定義外設(shè)和其他組件組合起來(lái)，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(xiàn)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(xiàn)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(guò)Avalon總線(xiàn)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(xiàn)協(xié)議產(chǎn)生控制時(shí)序?qū)ζ溥M(jìn)行復(fù)位和初始化。

　?。?）讀寫(xiě)SD卡。控制器通過(guò)CMD線(xiàn)發(fā)送讀或者寫(xiě)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(guò)DAT線(xiàn)進(jìn)行讀和寫(xiě)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)（512B），傳輸完畢后將就緒信號(hào)置為有效。

　?。?）設(shè)置SD卡。通過(guò)CMD線(xiàn)發(fā)送命令和參數(shù)，不發(fā)送或接受數(shù)據(jù)。

　　圖1 設(shè)備連接示意圖

　　1.3 SoPC中的硬件搭建

　　SoPC（SystemonaProgrammableChip），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AlteraSoPC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(yǔ)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25MHz，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(lèi)的變量。timer和sysid用來(lái)協(xié)調(diào)這些組件良好運(yùn)作，例如SoPCBuilder會(huì)使用SystemID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。

　　圖2 SoPC組件定制

　　其中sd＿wp＿n是SD卡寫(xiě)保護(hù)信號(hào)線(xiàn)，由于默認(rèn)激活SD卡所以片選信號(hào)沒(méi)加。altpll是鎖相環(huán)，用來(lái)調(diào)節(jié)穩(wěn)定所需的時(shí)鐘信號(hào)，DE2系列的開(kāi)發(fā)板上都有1到2個(gè)鎖相環(huán)。jtag＿uart用來(lái)調(diào)試、打印數(shù)據(jù)到控制臺(tái)，驗(yàn)證讀取寫(xiě)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。

　?。?）關(guān)于CMD的操作，主要有SD卡的初始化以及SD卡的讀寫(xiě)，先發(fā)送命令然后再發(fā)送CRC校驗(yàn)。

　?。?）CRC校驗(yàn)使用NIOSⅡ來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題：NIOSⅡ軟件架構(gòu)建立在硬件抽象層HAL（Hardware AbstractionLayer）之上，HAL為NIOS軟件開(kāi)發(fā)者提供了編程接口、底層的設(shè)備驅(qū)動(dòng)、HALAPI、和C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)等資源［6］，表1為系統(tǒng)整體的架構(gòu)示意。

　　HAL的系統(tǒng)庫(kù)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(kāi)發(fā)。HAL系統(tǒng)庫(kù)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(xiàn)，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(guò)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＝1spi＿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(xiě)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512B數(shù)據(jù)以及2B的CRC.借助于NIOSⅡ可以軟件編寫(xiě)最底層的SPI操作函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)上述復(fù)雜的步驟：

　　externINT8USPI＿Sendbyte（INT8Udata）

　　externINT8USPI＿Recibyte（void）

　　上面分別是SPI發(fā)送1B以及接收1B，這2個(gè)函數(shù)的使用需要調(diào)用SoPC中的SPI核中的庫(kù)函數(shù)，然后是SD卡的初始化和讀寫(xiě)函數(shù)：初始化：externintSD＿Reset（void）；讀一扇區(qū)：externintSD＿ReadBlock（INT32U blockaddr，INT8U＊recibuf）；寫(xiě)一扇區(qū)：externintSD＿WriteBlock（INT32U blockaddr，INT8U＊sendbuf）；通過(guò)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512B.

　　3 文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　若讀寫(xiě)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(fǎng)問(wèn)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(lái)，以文件的形式進(jìn)行存儲(chǔ)和訪(fǎng)問(wèn)，可以給SD卡創(chuàng)建一個(gè)文件系統(tǒng)，常見(jiàn)的是微軟公司推出的FAT16和進(jìn)化版FAT32. FAT存儲(chǔ)原理［7－8］：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512B.在512B中，又由跳轉(zhuǎn)指令、廠(chǎng)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［9］，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(lái)記錄磁盤(pán)數(shù)據(jù)簇鏈結(jié)構(gòu)的，F(xiàn)AT中磁盤(pán)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(chēng)為簇，一般每扇區(qū)分為512B，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512B，1KB，2KB，4KB等，一般不超過(guò)32KB.以簇為單位的原因是扇區(qū)太小，如果用扇區(qū)的話(huà)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。

　　引導(dǎo)扇區(qū)根文件夾FAT1FAT2其他文件系統(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(xiě)扇區(qū)等）。

　　圖3 FAT結(jié)構(gòu)

　　本文中最底層的2個(gè)函數(shù)如下：FAT＿ReadSector，F(xiàn)AT＿WriteSector文件系統(tǒng)目錄的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：typedefstruct｛charName［8］；charExtension［3］；charAttribute；charreserved［2］；unsignedshortCreateTime；unsignedshortCreateDate；unsignedshortLastAccessDate；unsignedshortLastWriteTime；unsignedshortLastWriteDate；unsignedshortFirstLogicalCluster；unsignedintFileSize；｝FAT＿DIRECTORY；對(duì)底層函數(shù)進(jìn)行調(diào)用的應(yīng)用層函數(shù)有：FAT＿Init（初始化函數(shù)）

　　FAT＿GetSize（獲取磁盤(pán)大?。?/p>

　　FAT＿Open＿File（打開(kāi)文件）

　　FAT＿Read＿File（讀文件）

　　FAT＿Create＿Dir（新建文件夾）

　　FAT＿Create＿File（新建文件）

　　FAT＿Dele＿File（刪除文件）

　　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：while（1）｛printf（“。。。。。。＼r＼n”）；hfat＝fat＿mount（SD＿CARD，0）；if（hFat）｛printf（“SD卡加載成功！＼n”）；printf（“讀取根目錄：＼n”）；fat＿test（hfat，“test.txt”）；fat＿Unmount（hFat）；printf（“測(cè)試完成。重試請(qǐng)按KEY鍵＼r＼n”）；｝else｛printf（“無(wú)法加載SD卡，請(qǐng)仔細(xì)檢查是否插入并按KEY鍵重試＼r＼n”）；｝while（（IORD＿ALTERA＿AVALON＿PIO＿DATA（KEY＿BASE）＆0x08）＝＝0x08）；usleep（300＊1000）；｝測(cè)試：在一張SD卡里存放了一個(gè)test.txt文件，插到開(kāi)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。

　　圖4 NIOSⅡ運(yùn)行結(jié)果

　　4結(jié)語(yǔ)

　　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(kāi)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。