基于SoPC和NIOS Ⅱ的SD卡文件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

SD卡中的數(shù)據(jù)是以塊為單位進(jìn)行存儲的，如果在硬件層面對其進(jìn)行操作，則不僅要非常了解SD卡的數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，還要對FAT系統(tǒng)有深刻的理解，然后用復(fù)雜的時序狀態(tài)機(jī)對其扇區(qū)進(jìn)行初始化和讀取控制，對硬件直接進(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)[1]。而隨著FPGA的高速發(fā)展，以AlteraNIOSⅡ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

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個信號組成，分別是CS(片選信號)、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[2-3]下可以方便地與SD卡進(jìn)行對接。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SoPC Builder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，并自動生成內(nèi)部總線邏輯，自動完成外設(shè)和存儲器的地址映射、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卡存儲介質(zhì)。

1.2 控制器的設(shè)計

SD卡控制器[4]是FPGA和SD卡之間進(jìn)行通信的翻譯官，主要實現(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)，一次傳輸一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)(512B)，傳輸完畢后將就緒信號置為有效。

(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)。

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)[5]。

借助于AlteraSoPC方便的組件定制、硬件組裝和它的靈活的設(shè)計方式，不用一個個親自用硬件語言去實現(xiàn)各個組件，只需要在SoPC里定制，最后結(jié)果如圖2所示，因為SD卡的工作頻率最高為25MHz，與FPGA自身的時鐘頻率不一定一樣，所以要加上clock_crossing用于協(xié)調(diào)2個不同的時鐘域。onchip_memory是片內(nèi)存儲器，用于儲存程序運(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SoPCBuilder會使用SystemID為每個系統(tǒng)提供識別符號，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)部時鐘定時。如果丟失這兩個組件，會導(dǎo)致最后的軟件運(yùn)行出現(xiàn)錯誤。

圖2SoPC組件定制

其中sd_wp_n是SD卡寫保護(hù)信號線，由于默認(rèn)激活SD卡所以片選信號沒加。altpll是鎖相環(huán)，用來調(diào)節(jié)穩(wěn)定所需的時鐘信號，DE2系列的開發(fā)板上都有1到2個鎖相環(huán)。jtag_uart用來調(diào)試、打印數(shù)據(jù)到控制臺，驗證讀取寫入的數(shù)據(jù)是否相同。

2驅(qū)動程序的設(shè)計

SD卡處于SPI模式的驅(qū)動主要包含有：(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。

(3)CRC校驗使用NIOSⅡ來解決這個問題：NIOSⅡ軟件架構(gòu)建立在硬件抽象層HAL(Hardware AbstractionLayer)之上，HAL為NIOS軟件開發(fā)者提供了編程接口、底層的設(shè)備驅(qū)動、HALAPI、和C標(biāo)準(zhǔn)庫等資源[6]，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)計人員提供了應(yīng)用程序與底層硬件交互的設(shè)備驅(qū)動接口，簡化了應(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個步驟：(1)適當(dāng)延時等待SD就緒;(2)發(fā)送74+個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B(tài)LOCK的長度。

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可以軟件編寫最底層的SPI操作函數(shù)來實現(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：externintSD_Reset(void);讀一扇區(qū)：externintSD_ReadBlock(INT32U blockaddr，INT8U*recibuf);寫一扇區(qū)：externintSD_WriteBlock(INT32U blockaddr，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512B.

3 文件系統(tǒng)的設(shè)計

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)行存儲和訪問，可以給SD卡創(chuàng)建一個文件系統(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、廠商標(biāo)志、操作系統(tǒng)版本號、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512B，而簇的大小是2n(n為整數(shù))個扇區(qū)，所以簇的大小一般是512B，1KB，2KB，4KB等，一般不超過32KB.以簇為單位的原因是扇區(qū)太小，如果用扇區(qū)的話對大文件的存取會消耗很多資源，增加FAT表的項數(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)上就是把上層對文件的操作轉(zhuǎn)換為底層對數(shù)據(jù)簇的操作(例如初始化，讀扇區(qū)，寫扇區(qū)等)。

圖3FAT結(jié)構(gòu)

本文中最底層的2個函數(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(獲取磁盤大小)

FAT_Open_File(打開文件)

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(".。。。。。rn");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("測試完成。重試請按KEY鍵rn");｝else{printf("無法加載SD卡，請仔細(xì)檢查是否插入并按KEY鍵重試rn");｝while((IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(KEY_BASE)&0x08)==0x08);usleep(300*1000);｝測試：在一張SD卡里存放了一個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，驗證了本系統(tǒng)可以正確運(yùn)行。

圖4NIOSⅡ運(yùn)行結(jié)果

4結(jié)語

本設(shè)計基于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SD卡的基礎(chǔ)操作。該設(shè)計雖比硬件讀取占用稍稍多點的資源，但是方便了開發(fā)者對嵌入式設(shè)備外設(shè)的操作和移植，有非常實際的可操作性和應(yīng)用。