基于Nios II 软核处理器的SD卡接口设计

接着要对选中的Nios标准内核进行配置，这里要考虑的问题是如何如何分配片内存储器和片外存储器的使用。片内存储器的资源是很宝贵的，所以要先确定系统运行所需要的片内ROM或RAM,在满足性能的条件下，尽可能使用较少的片内存储器。

对于一个实际的系统，光有片内存储器一般是不够的，尤其是考虑到要进行嵌入式操作系统的移植，所以还要增加片外存储器。Niso II通过Avalon总线和片外存储器以及外部设备连接。外部存储器件的类型包括SRAM、SDRAM、DDR2、Flash等，外部设备包括UART串行口等。本设计采用SDRAM.

接着是添加PIO端口，定义输入输出端口，主要的目的是用于Nios II读取数字量。Nios II所采用的时钟和FPGA 的时钟密切相关，一般是通过锁相环PLL 把外部输入的时钟进行倍频之后再送给Nios II来作为主频使用，同时外部设备也使用时钟信号。外部时钟信号为25MHz,而经过倍频后为50MHz.

至此，主要的配置过程就结束了。但是还是需要配置如下部分：

（1） 分配存储器和外部设备的基地址和中断请求优先级；

（2） 设定NiosII处理器的启动地址，本设计把片内存储器设定为Nios II的启动地址。

（3） 在生成NiosⅡ系统时，可以选择生成Verilog语言还是VHDL 语言，本设计采用VHDL语言进行设计；

（4） 最后生成的qsf文件，相当于整个工程的文件，但是关于配置管脚使用的部分，需要用户去生成。生成的方法可以在图形界面下配置，也可以通过写tcl文件的方法。写tcl文件的方法一般来讲，对于大型工程，还是比较方便的。

（5） 编译整个NiosⅡ系统，在Altera 提供的开发环境Quartus II 中进行编译。顶层设计文件可以使VHDL 也可以是原理图的形式。

（6） 采用JATG口进行下载，把生成的的SOF文件下载到FPGA里。

2系统软件设计

Altera公司为了用户方便使用Nios II来快速研制产品，提供了功能强大、易于使用的Nios II集成开发环境，与一般的嵌入式系统开发设计比较类似。在生成NiosII的过程中已经自动生成了需要使用的头文件（一般是C语言的头文件），同时一般外围设备的驱动程序也可以生成。对于嵌入式操作系统，可以使用用户自己裁剪的ucLinux内核也可以使用Altera提供的操作系统内核。本设计使用Altera公司提供的Nios II 9.0版本的开发环境。

2.1 SD卡初始化

在对SD 卡进行读/写之前，必须知道卡的类型、卡的容量、卡的大小等信息。具体来说，初始化函数主要完成以下工作：

（1） 微处理器（这里指Nios II）复位SD卡，激活SD卡内部控制电路进行初始化处理，使SD卡进入SPI 模式；

（2） 发送命令查询SD卡是否支持3.3V供电；

（3） 调整SPI时钟频率；

（4） 根据编译选项使能或者禁止通信过程中的CRC校验；

（5） 设置用于读/写操作的块数据长度；

（6） 最后是初始化全局变量sds.

SD卡初始化函数INTSU SD_Initialize（viod）就是用于完成以上任务的，它读取SD卡内部CSD寄存器，然后对全局变量sds进行赋值。

2.2 SD卡读写操作

对SD卡的读写操作需要知道SD 卡的一些基本的属性：插入卡座中SD卡的型号；SD卡中全部块的数量；SD卡的最大数据块的长度；一次可擦除的块数量；卡的读取、写入、擦除操作的超时时间。

SD卡读/写软件包中定义了一个全局变量sds,软件包的很多地方使用了这个全局变量。SD卡的写操作包括写单块和写多块两种方式。SD卡的初始化函数SD_Initialixe（）已经调用SD_SetBlockLen（）函数设定了读/写数据的长度为SD_BLOCKSIZE 字节，所以卡初始化以后，读写都必须以块为单位。

3 SD卡驱动设计

Nios II软件架构是建立在HAL（Hardware Abstraction Layer）基础之上的。HAL为Nios II的软件开发者提供了操作底层硬件的编程接口。设备驱动驱动程序的编制一般要使用HAL提供的API函数以及C标准库等。HAL提供的功能以及它与底层设备驱动程序之间的关系如图3所示，这种模块化的设计架构可以加速应用程序的开发。使用这种分层的体系架构，HAL层把应用程序和底层硬件驱动程序之间隔离开来，使得应用程序的开发不依赖于底层HAL和硬件的变化，增加了应用程序的可移植性。设计驱动程序最重要的是理解具体SD卡的读写操作的过程，之后是如何和嵌入式操作系统连接起来。在编制好SD卡的驱动程序后，在应用程序中操作SD卡就简单了。所以编制SD卡的驱动在本设计中是重要的一部分。

图3 基于HAL的系统层次结构

结束语

本文基于Nios II实现了对于SD卡的控制，不仅包括硬件设计还包括系统软件设计。传统的系统设计是基于硬核处理器的架构，系统的硬件设计受到了限制。SOPC的设计思想使得片上系统的设计更加灵活，硬件设计的限制因素基本不存在了。在一个FPGA的芯片上几乎可以实现一个整个系统，对于系统的小型化的作用是显着的。本文对基于NiosⅡ的嵌入式系统的设计进行了深入的研究，并在此基础上，设计完成了以Altera公司的Cyclone III系列中的EP3C16 FPGA为核心芯片的SOPC开发平台。另外本文在此平台之上，移植了嵌入式操作系统，并在此环境下实现了SD卡的接口设计，因此包括了整个的硬件和软件设计。在系统设计的过程中，分析了Nios II 的Avalon总线的系统架构、SD 卡的通信协议。