FPGA和Nios II軟核的SD卡文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

摘要：利用Cyclone II系列FPGA構(gòu)建了一種用于SD卡讀寫的SPI控制器，并在其上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于Nios II軟核處理器的嵌入式文件系統(tǒng)。此文件系統(tǒng)是通過在Nios II EDS開發(fā)平臺(tái)上移植znFAT32文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。
關(guān)鍵詞：Cyclone II；FPGA；Nios II；SD卡；znFAT32文件系統(tǒng)

引言
    在嵌入式系統(tǒng)或移動(dòng)設(shè)備上使用SD卡，接口的構(gòu)建和文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)是必須解決的問題。本文探討在CycloneII平臺(tái)為基礎(chǔ)的嵌入式系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)SD卡接口和文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。
    基于FPGA IP軟核處理器的嵌入式系統(tǒng)，因其集成度高、可靈活配置和性價(jià)比方面的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)逐漸逼近甚至趕超采用專用集成電路(ASIC)的設(shè)計(jì)方案。
    利用Nios II可定制周邊設(shè)備的特點(diǎn)，在FPGA中，通過DHL編程構(gòu)造出SD卡需要的SPI接口和其他控制信號(hào)的方式。在此基礎(chǔ)上，在Nios II處理器上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)靈活的文件系統(tǒng)。
    基于FPGA和Nios II軟核構(gòu)建SOPC嵌入式文件系統(tǒng)，本文所做的工作包括：Nios II處理器IP軟核的最小SOPC系統(tǒng)的構(gòu)建，SD卡的底層扇區(qū)讀寫驅(qū)動(dòng)程序的編寫方式，znFAT32文件系統(tǒng)的移植，以及對(duì)SD卡文件操作的實(shí)現(xiàn)等。

1 基于Nios II軟核的SOPC系統(tǒng)構(gòu)建
1．1 SOPC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
    如圖1所示，基于NiosII的SOPC系統(tǒng)包括如下部分：

    ①系統(tǒng)核心模塊：Nios II處理器。
    ②處理器外圍支持電路：時(shí)鐘單元以及存儲(chǔ)器單元SDRAM控制器(包括存儲(chǔ)代碼的ROM與存儲(chǔ)變量的RAM)部分。
    ③程序下載調(diào)試模塊：JTAG接口控制器和異步通信接口(UART用于打印調(diào)試信息)。
    ④片上系統(tǒng)的內(nèi)部外設(shè)模塊：諸如定時(shí)器、UART、SPI、GPIO等，這部分總的功能電路可根據(jù)需要配置，在本例的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，主要用到SD卡的接口是SPI。
    ⑤EPCS控制器：由于FPGA是基于RAM的結(jié)構(gòu)框架，掉電后代碼會(huì)丟失。所以FPGA需要配置一個(gè)ROM在上電后將代碼加載到RAM中運(yùn)行。在SOPC系統(tǒng)中，EPCS控制器有兩個(gè)作用，一是用來幫助EDS工具將軟件程序下載到EPCS芯片中去，二是在FPGA配置完成后引導(dǎo)EPCS芯片中的程序加載到SDRAM中去運(yùn)行。
1．2 Cyclone II構(gòu)建SOPC系統(tǒng)的過程
    Altera公司為在其生產(chǎn)的FPGA上構(gòu)建SOPC，不僅提供了各種使用的IP核模塊，還提供了極為友好的集成開發(fā)環(huán)境Quartus II。在Quartus II中，有一個(gè)工具SOPCBuilder，可以幫助用戶通過添加和配置(給出參數(shù))IP核的方式，自動(dòng)構(gòu)建Verilog HDL語言硬件代碼。
    在Quartus II中，構(gòu)建SOPC系統(tǒng)的流程如圖2所示。

    將需要的IP核模塊添加完成后，下一步是用Verilog HDL語言編寫頂層文件，對(duì)定制的SOPC進(jìn)行例化處理(模塊之間的連接關(guān)系定義，I／O引腳的配置)，編譯頂層文件和模塊IP核，才能生成在FPGA上運(yùn)行的片上系統(tǒng)。
    在添加IP核后，SOPCBuilder可生成資源列表，本文構(gòu)建的系統(tǒng)列表如圖3所示。

    在實(shí)例中使用了Nios II模塊、時(shí)鐘模塊、定時(shí)器、SDRAM模塊、EPCS模塊、UART模塊和SPI共計(jì)7個(gè)模塊。
    SOPC系統(tǒng)構(gòu)建完成后，模塊之間信號(hào)傳遞的時(shí)序并未確定。接下來的時(shí)序設(shè)計(jì)是SOPC能否正常運(yùn)行的關(guān)鍵。在片上系統(tǒng)生成后，首先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)序分析，以便使系統(tǒng)的時(shí)序符合設(shè)計(jì)邏輯的要求，并保證系統(tǒng)的正常工作，必要時(shí)要對(duì)系統(tǒng)的時(shí)序進(jìn)行適當(dāng)?shù)募s束。這一工作
可利用Quartus II軟件中內(nèi)嵌的TimeQuest完成，也可以使用第三方提供的時(shí)序分析軟件，如PrimeTime軟件等來實(shí)現(xiàn)。
    本文采用Altera公司提供的TimeQuest來進(jìn)行時(shí)序約束。經(jīng)過時(shí)序約束后，對(duì)工程再編譯，可產(chǎn)生時(shí)序報(bào)告。通過分析時(shí)序約束報(bào)告，可對(duì)約束適當(dāng)修改，這個(gè)過程可反復(fù)進(jìn)行，直到滿足時(shí)序要求為止。

2 SD卡接口協(xié)議分析與驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)
2．1 SD卡通信接口協(xié)議分析
    SD卡一般定義了SD和SPI兩種可選的總線操作方式，本文采用SPI方式與SD卡接口，可以直接利用Quartus II中提供的SPI控制器IP核。S PI協(xié)議是面向位傳輸?shù)耐酱型ㄐ艆f(xié)議。在SPI模式下，SD卡可以支持單塊與多塊的讀寫操作。
    SOPC上的SPI控制器與SD卡之間的讀寫操作過程應(yīng)符合SD卡的通信協(xié)議，其讀寫交互過程如圖4所示。

    從圖4中可以看出，任何操作都是由SPI控制器的SD寫命令開始，SD卡在接收到一個(gè)合法命令后，將給予應(yīng)答來響應(yīng)，接下來便是數(shù)據(jù)塊的讀或?qū)懖僮鳌?br /> 2．2 SD卡驅(qū)動(dòng)層程序的編寫
    Nios II EDS是Altera公司為其Nios II處理器開發(fā)的一款C／C++語言編程軟件，其軟件架構(gòu)是基于HAL(Hardware Abstraction Layer)之上的，Nios II EDS為Nios開發(fā)者提供了編程接口、底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)、HAL API，以及C標(biāo)準(zhǔn)庫等資源。更重要的是，HAL系統(tǒng)庫為Nios II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，從而大大簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的開發(fā)。此外，HAL系統(tǒng)庫還為應(yīng)用程序與底層硬件驅(qū)動(dòng)之間劃分了一條清晰的界線，從而大大提高了應(yīng)用程序的可復(fù)用性，使得應(yīng)用程序不受底層硬件變化的影響。
    片上系統(tǒng)的SPI控制器硬件邏輯，是由SOPC Builder工具將一個(gè)SPI主控器軟核封裝到系統(tǒng)中的，此SPI控制器與Nios II軟核以Avalon總線相連接。SD卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)層分為4層，包括硬件抽象層、命令層、CRC校驗(yàn)層與操作函接口層，其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

    硬件抽象層主要實(shí)現(xiàn)Nios II處理器對(duì)SPI控制器相應(yīng)的功能寄存器的操作。
    命令層定義了對(duì)SD卡各種操作的交互方法，包括命令碼與應(yīng)答碼的定義。
    CRC校驗(yàn)層主要完成校驗(yàn)工作，對(duì)于命令與數(shù)據(jù)采取不同的校驗(yàn)方式。命令用CRC7校驗(yàn)，數(shù)據(jù)用CRC16校驗(yàn)。
    操作函數(shù)接口層的作用是向znFAT32文件系統(tǒng)提供SD卡的所有操作，這其中包括了SD卡的初始化、扇區(qū)讀寫等函數(shù)接口(這是文件系統(tǒng)對(duì)SD卡進(jìn)行文件操作所必需的)，以供znFAT32文件系統(tǒng)調(diào)用。這里利用Nios IIEDS集成開發(fā)環(huán)境編寫的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)SD對(duì)卡的塊讀寫(以扇區(qū)為基本單位進(jìn)行讀寫操作)，為SD卡掛載文件系統(tǒng)提供API函數(shù)。
    每個(gè)層的接口函數(shù)如下：
   

3 znFAT32文件系統(tǒng)的嵌入和SD卡的掛載
3．1 znFAT32文件系統(tǒng)概述
    znFAT32是于振南為小型嵌入式設(shè)備完全獨(dú)立編寫，且開放源代碼的FAT32文件系統(tǒng)解決方案。znFAT32能夠支持眾多的存儲(chǔ)設(shè)備(SD卡、CF卡、Flash、U盤等)，支持多個(gè)存儲(chǔ)器共同工作，可以支持同時(shí)訪問多個(gè)存儲(chǔ)器對(duì)文件的操作。對(duì)硬件資源要求低，能夠輕松地移植到51單片機(jī)、AVR、ARM、DSP、Nios II等處理器上，占用資源極少(僅占用800字節(jié)左右的RAM)，非常適合嵌入式開發(fā)中文件系統(tǒng)的嵌入。其代碼完全由C語言編寫，能夠輕松閱讀，移植方便。其代碼結(jié)構(gòu)如圖6所示。

    由圖6可知該文件系統(tǒng)包含兩層。
    文件系統(tǒng)代碼層——主要提供對(duì)存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行操作的各種函數(shù)。
    存儲(chǔ)設(shè)備接口層——主要是為了掛載不同的存儲(chǔ)設(shè)備。
3．2 文件系統(tǒng)SD卡的掛載
    znFAT32文件系統(tǒng)掛載需要SD卡驅(qū)動(dòng)層提供的扇區(qū)讀寫函數(shù)。將編寫的扇區(qū)讀寫函數(shù)SD_Read_Sector、SD_Write_Sector取代文件系統(tǒng)中的FAT32_ReadSector與FAT32_WriterSector兩個(gè)函數(shù)即可。根據(jù)需要的處理器編寫SD卡驅(qū)動(dòng)程序十分重要，只有保證驅(qū)動(dòng)程序的正確性，才能進(jìn)行文件系統(tǒng)的正確掛接，才能在掛接完成后對(duì)SD卡進(jìn)行文件操作。
    znFAT32文件系統(tǒng)的掛接需要對(duì)znFAT32文件系統(tǒng)提供的用于標(biāo)定存儲(chǔ)設(shè)備的全局變量Dev_No設(shè)備號(hào)進(jìn)行處理，znFAT32文件系統(tǒng)給我們提供的存儲(chǔ)設(shè)備宏定義如下：
   
    對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行文件操作，需要通過設(shè)備號(hào)來選擇不同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)函數(shù)。對(duì)SD卡操作需將Dev_NO定義為SDCARD。

4 文件系統(tǒng)在Nios II中的應(yīng)用實(shí)例
    完成SOPC系統(tǒng)的創(chuàng)建后，在生成的Nios II系統(tǒng)上通過Nios II EDS編程，便可將SD卡與文件系統(tǒng)掛接。
4．1 znFAT32文件系統(tǒng)的使用
    znFAT32文件系統(tǒng)為用戶提供的對(duì)文件的基本操作函數(shù)讓我們能夠輕松地對(duì)文件進(jìn)行操作。下面列舉了幾個(gè)基本函數(shù)：
   
    通過上面的函數(shù)，可以完成對(duì)SD卡的文件讀寫、刪除、數(shù)據(jù)添加、目錄創(chuàng)建、文件拷貝、文件重命名等操作。
4．2 SOPC系統(tǒng)對(duì)SD卡文件讀寫操作的驗(yàn)證
    為了驗(yàn)證上述系統(tǒng)能否正常實(shí)現(xiàn)SD卡讀寫，筆者選用了4 GB容量的金士頓SDHC卡，進(jìn)行了文件讀寫實(shí)驗(yàn)。圖7為Nios II EDS給出的Deb ug信息窗口。信息顯示了在構(gòu)建的系統(tǒng)上SD卡的初始化(實(shí)現(xiàn)文件系統(tǒng)的掛接)，接著讀取SD卡的存儲(chǔ)容量、扇區(qū)大小、每簇扇區(qū)數(shù)，并在根目錄下面打開名為TEST．TXT的文件，并對(duì)該文件的信息進(jìn)行讀取。在一級(jí)子目錄下面，同樣建立一個(gè)TEST．TXT的文件，并對(duì)文件信息進(jìn)行讀取。

    由運(yùn)行結(jié)果可知，初始化成功并識(shí)別此SD卡為SDHC卡，容量為964 256(總簇?cái)?shù))×8(每簇扇區(qū)數(shù))×512(每扇區(qū)字節(jié)數(shù))≈3 968 860 160。根目錄下的TEXT．TXT文件被打開，打開文件成功后在DIR1子目錄下面創(chuàng)建TEST．TXT。由主函數(shù)創(chuàng)建的文件日期在TimeCreat[6]={12，1，4，17，40，28)中存放，文件成功后讀取創(chuàng)建的新文件的詳細(xì)信息。
    為了進(jìn)一步驗(yàn)證本系統(tǒng)對(duì)SD卡的寫入操作，筆者將此SD卡通過讀卡器與PC機(jī)連接，在PC機(jī)的文件系統(tǒng)下，顯示了相同的結(jié)果。

結(jié)語
    本文通過在CycloneⅡ系列FPGA上構(gòu)建SOPC系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)上基于NiosⅡ處理器構(gòu)建了SD卡文件系統(tǒng)。該系統(tǒng)以SPI接口方式與SD卡連接，文件系統(tǒng)是面向嵌入式系統(tǒng)的緊湊型開放源碼的系統(tǒng)。經(jīng)過對(duì)SD卡的操作驗(yàn)證，證明本文提供的方案具有設(shè)計(jì)靈活、集成度高、通用性強(qiáng)、移植性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。在線陣CCD數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)以及數(shù)控貼片控制系統(tǒng)上得到了很好的應(yīng)用。