基于Avalon总线的SD卡读写控制器的设计

0 引言
当前，人们对大数据量的高速存取需求越来越高。SD卡作为新一代数据存储设备，具有大容量，高速度的特点，很好地满足了市场的具体需求，被广泛用于便携式消费类电子设备，例如手机，数码相机、PDA和各种多媒体播放器等。在工业控制领域，同样有大量数据需要采集，存储，分析。而传统用MCU的GPIO模拟SD卡的时序实现读／写调试复杂、读／写速度慢，已经不能符合大多数应用的需求。利用FPGA自身高速并行的特点，开发一种SD卡读写控制器的IP核，不但可以提高性能，而且可以简单实现IP复用，大大提高开发效率，降低成本，具有极大的应用前景。
可编程的片上系统(System on Programmable Chip，SoPC)最先由Altera公司提出，它将尽可能大而完整的电子系统，主要包括NiosⅡ嵌入式处理器、各种硬件接口、数字信号处理系统、普通数字电路逻辑在单一FPGA芯片中实现。SoPC系统中的各个外设通过Avalon总线相连，可简单实现IP复用，因此，系统在开发周期、体积、功耗、功能、产品升级维护等多方面实现最优化，逐渐成为电子产品设计的趋势。

1 Avalon总线简介
Avalon总线是Altera公司专门为SoPC系统指定的一套总线标准，它定义了主从端口对之间通信的信号类型和时序关系。在结构上不同于传统的共享式总线：它在需要连接的每一个主从端口对之间都有点到点的连接，不同的主从端口对之间可以同时进行通信，所以大大提高了系统的性能。Altera一直在致力于为Avalon总线添加一些极其有用高级特性，简化系统设计的同时提高系统的性能。Avalon总线标准也在不断的升级完善，现在已经包含Avalon-MM接口规范和Aval-on-ST接口规范。
在Avalon总线接口的设计中，SoPC Builder提供了直观的图形用户界面，设计人员可以很方便地添加自定义外设，SoPC Builder将自定义外设和其他组件组合起来，生成对这些组件进行例化的单个系统模块，并且自动生成内部总线逻辑，按照设计人员的要求将这些外设与NiosⅡ处理器连接起来，并自动完成外设和存储器的地址映射、中断控制和总线控制等工作。本文主要阐述了SD卡读／写控制器的AvaIon-MM总线接口和SD卡读／写控制逻辑的设计，以圾NiosⅡIDE中读／写控制程序的编写。

2 SD卡的一般读／写过程
SD卡有两种读／写访问模式：SD模式和SPI模式，其中SD模式又分为1 b和4 b两种。由于DE2开发平台硬件上的原因，该设计采用的是1 b的SD模式实现SD卡的读／写。SD卡在上电初期，卡主控通过检测引脚1(DAT3)的电平来决定使用SD模式还是SPI模式。
SD总线上命令和数据的传输从一个起始位开始，以停止位终止。每个时钟周期传输一个命令或数据位。控制器通过CMD信号线发送命令到SD卡，用于对SD卡进行相应的操作，SD卡接收到命令后，会发送相对应的响应给控制器，这些响应中包含了SD卡的一些基本信息和状态信息等。SD卡初始化完成后，进入数据传输阶段，则可以进行读／写操作。为了避免命令，数据和响应传输的错误，SD规范中采用了CRC技术，在传输命令和响应时，需要进行CRC7效验，而在传输数据时，则需要进行CRC16效验。该控制器主要采用SD的CLK，CMD，DAT0三根信号线完成SD卡的读／写。

3 SD卡读写控制器总体工作过程
该控制器采用Verilog HDL语言编写，在SD卡就绪后，NiosⅡ处理器先向Avalon-MM Slave端口设置相关寄存器。状态控制逻辑根据寄存器中的相关位发送命令到读／写控制逻辑，再由读／写控制逻辑发送相应的命令到SD卡。命令在时钟信号CLK的上升沿经过CRC7校验后通过CMD信号线串行写入SD卡。SD规范中定义了很多命令，但这里仅用到了常用的10个命令就实现了读／写控制的功能，命令都要按一定格式顺序发送到SD卡，命令编号占6 b，每个命令必须填充开始标志，命令的参数以及CRC7校验数据以及结束标志，发送1个完整的命令需要写入48b。
SD卡在接收到命令后，会根据写入的命令执行相应的操作，并发送相应的Response给控制器，其中Re-sponse也分为几种，包含长响应和短响应，Response中的数据包含了卡的一些基本信息以及命令的执行情况等。控制器根据返回的状态的信息决定下一步操作，即发送下一个命令。控制器内部总体结构如图1所示。

控制器上电后自动进行初始化，将SD卡的状态保存到状态寄存器中，在进行读／写前，应先读取SD卡的状态信息，在SD卡进入了读／写就绪状态后，即可向Avalon-MM Slave端口写入读／写控制命令，具体包括要读／写的扇区号，读出数据或写入数据的存放地址。控制器在收到开始读／写命令后，开始读／写指定的扇区，控制器一次性读／写512 B，产生一个读／写完成的中断，即可以开始读／写下一个扇区。进行读操作时，控制器将从SD卡读出的数据通过AvaIon-MM Master端口写入所指定的地址处。进行写操作时，控制器通过Avalon-MM Master端口将指定内存地址处的数据写入SD卡。控制器整个读／写过程无需CPU干预，由Master端口主动完成，CPU仅需写入相关控制命令，大大提高了CPU的利用率。