基于SoPC和NIOS II的SD卡文件系统的设计

摘要：传统嵌入式设备对SD卡的读取一般基于硬件层面，这么做省资源但是换来的是时序麻烦，移植困难，读取文件不灵活。针时资源较为丰富的嵌入式方案，利用SoPC技术和灵活的NIOSⅡ软核，提出了一种在SD卡上建立了FAT32文件系统的方法，实现了对文件的基本操作如新建、读取、删除等，并在SD卡根目录里放置测试文档。对NIOSⅡ的代码实现进行测试，结果表明NIOSⅡ顺利地读出了文档里的内容，以及根目录其他文件夹。测试实验在Terasic的DE2系列开发板上通过验证。该方案方便了开发者对不同嵌入式设备进行移植，使其更加专注于顶层操作。
关键词：FPGA；SoPC；NIOSⅡ；SD卡；FAT

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。而随着FPGA的高速发展，以Altera NIOSⅡ和Xilinx的Mic ro Blaze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SoPCBuilder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(512 B)，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。
1．3 SoPC中的硬件搭建
SoPC(System on a Programmable Chip)，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)。
借助于Altera SoPC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25 MHz，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SoPC Builder会使用System ID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。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。