基于SoPC和NIOS Ⅱ的SD卡文件系统的设计与实现

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SD卡中的数据是以块为单位进行存储的，如果在硬件层面对其进行操作，则不仅要非常了解SD卡的数据存储结构，还要对FAT系统有深刻的理解，然后用复杂的时序状态机对其扇区进行初始化和读取控制，对硬件直接进行操作可以节省FPGA资源。为了更有效地组织和管理SD卡中的数据，必须采用文件的格式进行组织数据，这就要求在SD卡中内嵌文件系统［1］。而随着FPGA的高速发展，以AlteraNIOSⅡ和Xilinx的MicroBlaze为代表的软核处理器以其高可定制性、与ARM相比相同价格下的高性能得到广泛的应用。
        本文正是利用其丰富的外设和接口定制构建SD卡的FAT文件系统。
        1 接口和控制器的设计
        1.1 接口的配置
       
        SD卡有SD模式和SPI模式2种，SPI是一种高速、同步、全双工的通信总线，只占用4根信号线，节约芯片的管脚，有利于PCB的布局。前者速度较快，后者比较方便我们采用后者SPI与FPGA进行通信，它由4个信号组成，分别是CS（片选信号）、MOSI（主机到SD卡）、MISO（SD卡到主机）、SCLK（主机和SD卡的同步时钟），以主从方式工作，本文中SPI为主机，SD卡是从机，处于单主单从模式。在由NIOSⅡ软核处理器控制的Avalon总线［2－3］下可以方便地与SD卡进行对接。Avalon总线是一种将片上处理器和外设连接成片上可编程（SoPC）的一种简单总线结构，它规定了主从设备之间的结构方式及其通信方式，通过使用SoPC Builder可以很方便地将自定义外设和其他组件组合起来，生成按照组件例化的系统模块，并自动生成内部总线逻辑，自动完成外设和存储器的地址映射、中断控制和总线控制。图1所示为设备之间的连接示意图，NIOSⅡ处理器和外设SD卡控制器的通过Avalon总线结构进行数据交换和沟通，SD卡控制器控制着外部SD卡存储介质。
        1.2 控制器的设计
        SD卡控制器［4］是FPGA和SD卡之间进行通信的翻译官，主要实现3大功能：（1）复位和初始化SD卡。控制器按照SD卡总线协议产生控制时序对其进行复位和初始化。
        （2）读写SD卡。控制器通过CMD线发送读或者写的命令以及SD卡扇区地址，确认收到正确的响应后，通过DAT线进行读和写操作（分别涉及串并转换和并串转换），一次传输一个扇区的数据（512B），传输完毕后将就绪信号置为有效。
        （3）设置SD卡。通过CMD线发送命令和参数，不发送或接受数据。
       
        图1设备连接示意图
        1.3 SoPC中的硬件搭建
       
        SoPC（SystemonaProgrammableChip），即可编程片上系统，用可编程逻辑把整个系统放到一块硅片上，是一种特殊的嵌入式系统，可以编程的片上系统（SOC）［5］。
       
        借助于AlteraSoPC方便的组件定制、硬件组装和它的灵活的设计方式，不用一个个亲自用硬件语言去实现各个组件，只需要在SoPC里定制，最后结果如图2所示，因为SD卡的工作频率最高为25MHz，与FPGA自身的时钟频率不一定一样，所以要加上clock＿crossing用于协调2个不同的时钟域。onchip＿memory是片内存储器，用于储存程序运行的代码或者堆栈之类的变量。timer和sysid用来协调这些组件良好运作，例如SoPCBuilder会使用SystemID为每个系统提供识别符号，NIOSⅡEDS可以用此防止使用者烧录与硬件信息不符合的sof文件。Timer是内部时钟定时。如果丢失这两个组件，会导致最后的软件运行出现错误。
       
        图2SoPC组件定制
       
        其中sd＿wp＿n是SD卡写保护信号线，由于默认激活SD卡所以片选信号没加。altpll是锁相环，用来调节稳定所需的时钟信号，DE2系列的开发板上都有1到2个锁相环。jtag＿uart用来调试、打印数据到控制台，验证读取写入的数据是否相同。
        2驱动程序的设计
       
        SD卡处于SPI模式的驱动主要包含有：（1）SPI底层的操作，SPI的命令和数据块都是以8个比特为单位进行分组和发送的。
        （2）关于CMD的操作，主要有SD卡的初始化以及SD卡的读写，先发送命令然后再发送CRC校验。
        （3）CRC校验使用NIOSⅡ来解决这个问题：NIOSⅡ软件架构建立在硬件抽象层HAL（Hardware AbstractionLayer）之上，HAL为NIOS软件开发者提供了编程接口、底层的设备驱动、HALAPI、和C标准库等资源［6］，表1为系统整体的架构示意。
       
        HAL的系统库为NIOSⅡ软件设计人员提供了应用程序与底层硬件交互的设备驱动接口，简化了应用程序的开发。HAL系统库也为应用程序与底层硬件驱动划分了一条清晰的分界线，提高了应用程序的复用性，使得应用程序不受底层硬件变化的影响。
        SD卡的上电初始化过程可以分成以下5个步骤：（1）适当延时等待SD就绪；（2）发送74＋个spi＿clk，且保持spi＿cs＿n＝1spi＿mosi＝1；（3）发送CMD0命令并等待响应R1＝8'H01，将卡复位到IDLE；（4）发送CMD1命令并等待响应R1＝8'H00，激活卡的初始化进程；（5）发送CMD16命令并等待响应R1＝8'H00，设置一次读写BLOCK的长度。
        SD卡的数据读取操作也大致可以分为以下步骤：（1）发送命令CMD17；（2）接受读数据起始令牌0xFE；（3）读取512B数据以及2B的CRC.借助于NIOSⅡ可以软件编写最底层的SPI操作函数来实现上述复杂的步骤：
       
        externINT8USPI＿Sendbyte（INT8Udata）
        externINT8USPI＿Recibyte（void）
        上面分别是SPI发送1B以及接收1B，这2个函数的使用需要调用SoPC中的SPI核中的库函数，然后是SD卡的初始化和读写函数：初始化：externintSD＿Reset（void）；读一扇区：externintSD＿ReadBlock（INT32U blockaddr，INT8U＊recibuf）；写一扇区：externintSD＿WriteBlock（INT32U blockaddr，INT8U＊sendbuf）；通过这些代码，可以一步步的向SD卡发送CMD指令，使其复位，激活成SPI模式，并设置块大小为512B.
       
        3 文件系统的设计
       
        若读写操作都是以扇区为单位，SD卡仅相当于FLASH.为了管理SD卡中的数据，并方便在Windows系统中访问SD卡中的数据，就必须将SD卡中的数据有效组织起来，以文件的形式进行存储和访问，可以给SD卡创建一个文件系统，常见的是微软公司推出的FAT16和进化版FAT32. FAT存储原理［7－8］：FAT16由6部分组成，首先是引导扇区（DBR），引导扇区（DBR）即操作系统引导记录区，通常占用分区的第0扇区共512B.在512B中，又由跳转指令、厂商标志、操作系统版本号、BPB、扩展BPB、OS引导程序、结束标志几部分组成。如图3所示［9］，根文件夹紧跟着的是FAT表（FAT1，FAT2，FAT2是FAT1的备份），FAT表是FAT16文件系统用来记录磁盘数据簇链结构的，FAT中磁盘空间按照一定数目的扇区为最单位进行划分，这种单位称为簇，一般每扇区分为512B，而簇的大小是2n（n为整数）个扇区，所以簇的大小一般是512B，1KB，2KB，4KB等，一般不超过32KB.以簇为单位的原因是扇区太小，如果用扇区的话对大文件的存取会消耗很多资源，增加FAT表的项数，这样文件系统的效率就非常低。
        引导扇区根文件夹FAT1FAT2其他文件系统本质上就是把上层对文件的操作转换为底层对数据簇的操作（例如初始化，读扇区，写扇区等）。
       
        图3FAT结构
       
        本文中最底层的2个函数如下：FAT＿ReadSector，FAT＿WriteSector文件系统目录的数据结构如下：typedefstruct｛charName［8］；charExtension［3］；charAttribute；charreserved［2］；unsignedshortCreateTime；unsignedshortCreateDate；unsignedshortLastAccessDate；unsignedshortLastWriteTime；unsignedshortLastWriteDate；unsignedshortFirstLogicalCluster；unsignedintFileSize；｝FAT＿DIRECTORY；对底层函数进行调用的应用层函数有：FAT＿Init（初始化函数）
        FAT＿GetSize（获取磁盘大小）
        FAT＿Open＿File（打开文件）
        FAT＿Read＿File（读文件）
        FAT＿Create＿Dir（新建文件夹）
        FAT＿Create＿File（新建文件）
        FAT＿Dele＿File（删除文件）
        有了这些底层函数和API函数后，要对SD卡进行操作只需要在NIOS的顶层main.C文件里面调用这些函数。用软件的方法完成顺序执行的操作，而这正是硬件执行的软肋。下面列出main函数核心的代码：while（1）｛printf（".。。。。。＼r＼n"）；hfat＝fat＿mount（SD＿CARD，0）；if（hFat）｛printf（"SD卡加载成功！＼n"）；printf（"读取根目录：＼n"）；fat＿test（hfat，"test.txt"）；fat＿Unmount（hFat）；printf（"测试完成。重试请按KEY键＼r＼n"）；｝else｛printf（"无法加载SD卡，请仔细检查是否插入并按KEY键重试＼r＼n"）；｝while（（IORD＿ALTERA＿AVALON＿PIO＿DATA（KEY＿BASE）＆0x08）＝＝0x08）；usleep（300＊1000）；｝测试：在一张SD卡里存放了一个test.txt文件，插到开发板的SD卡槽里。最后的图4是NIOS控制台最终的运行结果，程序正确的显示出了卡里面的文件夹和文件，以及test.txt里面的文件内容，验证了本系统可以正确运行。
       
        图4NIOSⅡ运行结果
        4结语
        本设计基于SoPC以NIOSⅡ软核处理器为控制核心，根据标准的FAT32文件系统规范，完成了对SD卡的基础操作。该设计虽比硬件读取占用稍稍多点的资源，但是方便了开发者对嵌入式设备外设的操作和移植，有非常实际的可操作性和应用。