0 引言
    當前，人們對大數(shù)據(jù)量的高速存取需求越來越高。SD卡作為新一代數(shù)據(jù)存儲設備，具有大容量，高速度的特點，很好地滿足了市場的具體需求，被廣泛用于便攜式消費類電子設備，例如手機，數(shù)碼相機、PDA和各種多媒體播放器等。在工業(yè)控制領域，同樣有大量數(shù)據(jù)需要采集，存儲，分析。而傳統(tǒng)用MCU的GPIO模擬SD卡的時序?qū)崿F(xiàn)讀／寫調(diào)試復雜、讀／寫速度慢，已經(jīng)不能符合大多數(shù)應用的需求。利用FPGA自身高速并行的特點，開發(fā)一種SD卡讀寫控制器的IP核，不但可以提高性能，而且可以簡單實現(xiàn)IP復用，大大提高開發(fā)效率，降低成本，具有極大的應用前景。
    可編程的片上系統(tǒng)(System on Programmable Chip，SoPC)最先由Altera公司提出，它將盡可能大而完整的電子系統(tǒng)，主要包括NiosⅡ嵌入式處理器、各種硬件接口、數(shù)字信號處理系統(tǒng)、普通數(shù)字電路邏輯在單一FPGA芯片中實現(xiàn)。SoPC系統(tǒng)中的各個外設通過Avalon總線相連，可簡單實現(xiàn)IP復用，因此，系統(tǒng)在開發(fā)周期、體積、功耗、功能、產(chǎn)品升級維護等多方面實現(xiàn)最優(yōu)化，逐漸成為電子產(chǎn)品設計的趨勢。

1 Avalon總線簡介
    Avalon總線是Altera公司專門為SoPC系統(tǒng)指定的一套總線標準，它定義了主從端口對之間通信的信號類型和時序關系。在結構上不同于傳統(tǒng)的共享式總線：它在需要連接的每一個主從端口對之間都有點到點的連接，不同的主從端口對之間可以同時進行通信，所以大大提高了系統(tǒng)的性能。Altera一直在致力于為Avalon總線添加一些極其有用高級特性，簡化系統(tǒng)設計的同時提高系統(tǒng)的性能。Avalon總線標準也在不斷的升級完善，現(xiàn)在已經(jīng)包含Avalon-MM接口規(guī)范和Aval-on-ST接口規(guī)范。
    在Avalon總線接口的設計中，SoPC Builder提供了直觀的圖形用戶界面，設計人員可以很方便地添加自定義外設，SoPC Builder將自定義外設和其他組件組合起來，生成對這些組件進行例化的單個系統(tǒng)模塊，并且自動生成內(nèi)部總線邏輯，按照設計人員的要求將這些外設與NiosⅡ處理器連接起來，并自動完成外設和存儲器的地址映射、中斷控制和總線控制等工作。本文主要闡述了SD卡讀／寫控制器的AvaIon-MM總線接口和SD卡讀／寫控制邏輯的設計，以圾NiosⅡIDE中讀／寫控制程序的編寫。

2 SD卡的一般讀／寫過程
    SD卡有兩種讀／寫訪問模式：SD模式和SPI模式，其中SD模式又分為1 b和4 b兩種。由于DE2開發(fā)平臺硬件上的原因，該設計采用的是1 b的SD模式實現(xiàn)SD卡的讀／寫。SD卡在上電初期，卡主控通過檢測引腳1(DAT3)的電平來決定使用SD模式還是SPI模式。
    SD總線上命令和數(shù)據(jù)的傳輸從一個起始位開始，以停止位終止。每個時鐘周期傳輸一個命令或數(shù)據(jù)位?？刂破魍ㄟ^CMD信號線發(fā)送命令到SD卡，用于對SD卡進行相應的操作，SD卡接收到命令后，會發(fā)送相對應的響應給控制器，這些響應中包含了SD卡的一些基本信息和狀態(tài)信息等。SD卡初始化完成后，進入數(shù)據(jù)傳輸階段，則可以進行讀／寫操作。為了避免命令，數(shù)據(jù)和響應傳輸?shù)腻e誤，SD規(guī)范中采用了CRC技術，在傳輸命令和響應時，需要進行CRC7效驗，而在傳輸數(shù)據(jù)時，則需要進行CRC16效驗。該控制器主要采用SD的CLK，CMD，DAT0三根信號線完成SD卡的讀／寫。

3 SD卡讀寫控制器總體工作過程
    該控制器采用Verilog HDL語言編寫，在SD卡就緒后，NiosⅡ處理器先向Avalon-MM Slave端口設置相關寄存器。狀態(tài)控制邏輯根據(jù)寄存器中的相關位發(fā)送命令到讀／寫控制邏輯，再由讀／寫控制邏輯發(fā)送相應的命令到SD卡。命令在時鐘信號CLK的上升沿經(jīng)過CRC7校驗后通過CMD信號線串行寫入SD卡。SD規(guī)范中定義了很多命令，但這里僅用到了常用的10個命令就實現(xiàn)了讀／寫控制的功能，命令都要按一定格式順序發(fā)送到SD卡，命令編號占6 b，每個命令必須填充開始標志，命令的參數(shù)以及CRC7校驗數(shù)據(jù)以及結束標志，發(fā)送1個完整的命令需要寫入48b。
    SD卡在接收到命令后，會根據(jù)寫入的命令執(zhí)行相應的操作，并發(fā)送相應的Response給控制器，其中Re-sponse也分為幾種，包含長響應和短響應，Response中的數(shù)據(jù)包含了卡的一些基本信息以及命令的執(zhí)行情況等?？刂破鞲鶕?jù)返回的狀態(tài)的信息決定下一步操作，即發(fā)送下一個命令?？刂破鲀?nèi)部總體結構如圖1所示。

    控制器上電后自動進行初始化，將SD卡的狀態(tài)保存到狀態(tài)寄存器中，在進行讀／寫前，應先讀取SD卡的狀態(tài)信息，在SD卡進入了讀／寫就緒狀態(tài)后，即可向Avalon-MM Slave端口寫入讀／寫控制命令，具體包括要讀／寫的扇區(qū)號，讀出數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)的存放地址。控制器在收到開始讀／寫命令后，開始讀／寫指定的扇區(qū)，控制器一次性讀／寫512 B，產(chǎn)生一個讀／寫完成的中斷，即可以開始讀／寫下一個扇區(qū)。進行讀操作時，控制器將從SD卡讀出的數(shù)據(jù)通過AvaIon-MM Master端口寫入所指定的地址處。進行寫操作時，控制器通過Avalon-MM Master端口將指定內(nèi)存地址處的數(shù)據(jù)寫入SD卡。控制器整個讀／寫過程無需CPU干預，由Master端口主動完成，CPU僅需寫入相關控制命令，大大提高了CPU的利用率。

4 Avalon-MM接口設計
    為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)在Avalon總線上的傳輸，必須實現(xiàn)Avalon總線相關信號和時序邏輯，主要包括數(shù)據(jù)、地址、讀／寫控制、中斷、時鐘復位等信號。
    Avalon-MM Master端口主要用來將讀／寫控制邏輯部分讀到的數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存，或者將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫入讀／寫控制邏輯，其接口信號如表1所示。

    Avalon-MM SIave端口主要用來接收相關控制命令，即通過這個端口實現(xiàn)控制器內(nèi)部寄存器的訪問，其接口信號如表2所示。

    該控制器內(nèi)部有6個寄存器，也可以根據(jù)需要實現(xiàn)更多，通過軟件設置相關寄存器即可進行讀／寫SD卡的操作，寄存器功能描述如表3所示。

5 系統(tǒng)硬件設計
    為了驗證SD卡讀寫控制器，在DE2開發(fā)平臺上搭建了最基本的硬件系統(tǒng)，主要包括：NiosⅡ處理器，PLL鎖相環(huán)，片上RAM，JTAG UART和自定義的SD卡讀寫控制器。NiosⅡ作為系統(tǒng)主控制器，PLL用來產(chǎn)生SD卡讀／寫所需的時鐘信號，片上RAM用來存儲代碼和數(shù)據(jù)，JTAG UART主要用來調(diào)試，打印數(shù)據(jù)到控制臺驗證寫入的數(shù)據(jù)和讀出的數(shù)據(jù)是否相同。
    硬件系統(tǒng)的建立主要利用Altera公司QuartusⅡ開發(fā)工具以及其集成的SoPC Builder完成的，關鍵在于如何用SoPC Builder將SD卡讀寫控制器添加到元件列表中。在SoPC Builder提供的圖形化的界面下，添加控制器Verilog源程序后，設置控制器中各信號在Avalon-MM總線中的信號類型等，圖2即為添加好的SD卡讀寫控制器。

    圖2中，各引腳的描述如下：
    base_clock：控制器輸入時鐘，該設計采用PLL產(chǎn)生的25MHz時鐘信號；
    clk_to_SD：SD卡時鐘信號輸入；
    cmd_SD：SD卡命令，響應輸入／輸出信號；
    data_SD：SD卡數(shù)據(jù)信號。
    根據(jù)SD控制器的寄存器映射，在Nios IDE中編寫C程序控制SD卡控制器進行讀／寫操作，下面代碼為寫SD卡的一段程序，讀SD卡的的過程與其類似。

    讀／寫完一個扇區(qū)后，控制器會產(chǎn)生一個中斷，此時即可進行下一次讀／寫操作。由于SD卡讀／寫有比較復雜的時序要求，命令、響應眾多，在設計的初期，采用Modelsim做了各方面的功能仿真，功能仿真完成后采用QuartusⅡ自帶的SignalTapⅡ邏輯分析儀來測試
分析內(nèi)部邏輯的工作狀態(tài)，SignalTapⅡ使用簡單方便，更重要的是可以實時觀測內(nèi)部信號變化，而且可以設置觸發(fā)條件，大大提高了開發(fā)的效率。圖3是用SignalTapⅡ邏輯分析儀捕捉到的波形。

    圖3中，status_reg為狀態(tài)寄存器，00000900表明卡已處于就緒狀態(tài)，control_reg為控制寄存器，00000001H表明已經(jīng)開始了一次對扇區(qū)0的寫傳輸，mread的上升沿即開始了Master端口的讀傳輸，這里的讀指的是將內(nèi)存中buf數(shù)組中的數(shù)據(jù)讀入控制器，再由控制器寫入SD卡中，waitrequest為等待信號，高電平時無法進行數(shù)據(jù)傳輸，waitrequest無效后可以很明顯地看到000000DFH由Master端口讀入控制器，再由讀寫控制邏輯寫入SD卡。

6 結語
    該設計采用SoPC技術實現(xiàn)了SD卡讀寫控制器，通過NiosⅡ處理器控制實現(xiàn)了SD卡讀／寫。由于該控制器根據(jù)Avalon接口規(guī)范進行開發(fā)，可以很方便以IP核的形式集成到其他SoPC系統(tǒng)中，簡單實現(xiàn)SD卡的讀／寫，大大降低了開發(fā)成本和難度。本文所設計的SD卡讀寫控制器還有一大優(yōu)點就是具有Master端口，可以自主完成數(shù)據(jù)的讀／寫，無需CPU的干預，另外采用了中斷，降低了響應延時，提高了讀／寫速率。該設計滿足了大部分數(shù)據(jù)存儲需求，適用于工業(yè)監(jiān)測控制，一般消費類電子產(chǎn)品等。