摘 要:　針對(duì)目前在嵌入式平臺(tái)中使用SD卡控制器專用芯片價(jià)格昂貴、軟件模擬SPI時(shí)序控制讀寫速度較慢的問題，提出了一種基于SoPC技術(shù)的SD卡控制器IP核設(shè)計(jì)的架構(gòu)方案。采用VHDL語言設(shè)計(jì)SD卡控制器IP核，利用自定義模塊技術(shù)將其添加到SoPC中，利用Nios II IDE編寫SD卡的基礎(chǔ)讀寫驅(qū)動(dòng)軟件并移植μC/FS文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的文件操作。該設(shè)計(jì)具有使用方便、集成度高、數(shù)據(jù)傳輸可靠、文件格式通用等特點(diǎn)，在基于SoPC架構(gòu)的多用途無線防盜監(jiān)控系統(tǒng)中得到良好的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 可編程片上系統(tǒng); SD卡; μC/FS文件系統(tǒng); 控制器; IP核

　隨著電子產(chǎn)品的音頻、視頻等多媒體功能的不斷增強(qiáng)，嵌入式系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)介質(zhì)的容量、安全、性能、價(jià)格等提出了更高的要求，而SD卡因其價(jià)格低廉、速度快、容量大和兼容性好（兼容MMC卡協(xié)議）等特點(diǎn)在嵌入式平臺(tái)中得到了廣泛的使用。目前在嵌入式平臺(tái)中使用SD卡的方式主要有：(1)系統(tǒng)中使用帶SD卡控制器的電路模塊或芯片。(2)將I/O口與SD卡接口連接以軟件模擬SPI時(shí)序控制其讀寫。方式(1)使用方便、控制簡(jiǎn)單，但是增加了硬件電路復(fù)雜度和成本；方式(2)電路雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是讀寫速度慢。
　針對(duì)上述缺陷，本文提出了基于SoPC技術(shù)的SD卡控制器的架構(gòu)方案，即在Altera公司提供的Quartus II軟件中開發(fā)SD卡控制器并在SoPC Builder中將其作為一個(gè)獨(dú)立的IP核集成到SoPC中，通過軟件驅(qū)動(dòng)控制器以實(shí)現(xiàn)SD卡讀寫及文件操作，使其系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、集成度高、讀寫速度快，為SOPC設(shè)計(jì)中使用非易失性存儲(chǔ)提供了新的方案。
1 SD卡協(xié)議規(guī)范
SD聯(lián)盟在2000年和2006年分別發(fā)布了SD卡規(guī)范1.0和2.0版本，SD卡規(guī)范主要包括物理層規(guī)范[1]、文件系統(tǒng)規(guī)范和安全規(guī)范三部分內(nèi)容,最大支持容量為32 GB，支持的文件系統(tǒng)為FAT16和FAT32。
　SD卡內(nèi)部不僅有大量的存儲(chǔ)單元，還有卡接口控制器、寄存器等，外部控制器不能直接訪問存儲(chǔ)器，所有對(duì)SD卡的操作如讀/寫、設(shè)置塊長度、擦除等都是由卡接口控制器根據(jù)收到的命令自動(dòng)完成，減少了外部控制器對(duì)存儲(chǔ)器操作的負(fù)擔(dān)[2]。SD卡支持SD和SPI兩種工作模式，兩種模式下SD卡的管腳意義如表1所示。SD模式下數(shù)據(jù)采用4線并行傳輸，速度較快。而SPI模式接口協(xié)議簡(jiǎn)單，在各嵌入式平臺(tái)中的通用性好，故本設(shè)計(jì)中采用SPI模式。　
2 SD卡控制器IP核設(shè)計(jì)
　SD卡工作在SPI模式下,其總線主要有時(shí)鐘線CLK、命令線CMD、數(shù)據(jù)線DAT和片選線CS。SD卡控制器主要實(shí)現(xiàn)三大功能：
　(1)復(fù)位和初始化SD卡。控制器按照SD卡總線協(xié)議產(chǎn)生控制時(shí)序?qū)ζ溥M(jìn)行復(fù)位和初始化。
　(2)讀寫SD卡?？刂破魇紫韧ㄟ^CMD線發(fā)送讀或?qū)懨詈蜕葏^(qū)地址，等收到正確的命令回執(zhí)后，將DAT線上傳輸?shù)拇袛?shù)據(jù)進(jìn)行串/并轉(zhuǎn)換，然后存儲(chǔ)在控制器內(nèi)部緩存中(寫數(shù)據(jù)則將控制器內(nèi)部緩存中的數(shù)據(jù)并/串轉(zhuǎn)換后從DAT線發(fā)送到SD卡)，一個(gè)扇區(qū)數(shù)據(jù)(512 B)傳輸完畢后將就緒信號(hào)置為有效。
　(3)設(shè)置SD卡。設(shè)置操作與讀寫操作相同，都是發(fā)送命令和參數(shù)，只是不接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。
　需要特別指出的是：CLK信號(hào)由控制器產(chǎn)生，對(duì)SD卡的命令或數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗胁僮骶c該時(shí)鐘同步(SD卡的最大工作時(shí)鐘為25 MHz)。
　SD控制器的功能模塊劃分如圖1所示。

2.1 總線接口模塊
總線接口模塊SDInterface是整個(gè)SD卡控制器的核心，其端口信號(hào)遵循Avalon協(xié)議規(guī)范[3]，主要負(fù)責(zé)連接Avalon總線、緩存SD卡命令、緩存扇區(qū)地址、將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送至緩存(雙口RAM)以及從緩存中讀取數(shù)據(jù)等。
　當(dāng)處理器要對(duì)SD卡進(jìn)行初始化時(shí)，需要寫SDInterface模塊的特定地址，之后SDInterface選擇啟動(dòng)復(fù)位/初始化模塊(SDInit)，由SDInit完成SD卡的初始化工作。
　向SD卡寫數(shù)據(jù)時(shí),需要先通過SDInterface模塊將要寫的數(shù)據(jù)緩存到雙口RAM中,然后將扇區(qū)地址和寫命令(CMD24)發(fā)送到SDInterface模塊的特定地址，之后SDInterface會(huì)啟動(dòng)命令控制(SDcmd)模塊并將命令和地址傳遞給后者，最后由SDcmd模塊完成一次寫操作。
從SD卡中讀數(shù)據(jù)或?qū)D卡進(jìn)行其他操作與向SD卡寫數(shù)據(jù)過程基本一致，處理器首先向SDInterface發(fā)送命令和參數(shù)(如果是讀寫操作，則參數(shù)即為扇區(qū)地址)，之后SDInterface啟動(dòng)SDCmd模塊并由SDCmd模塊完成后續(xù)操作(如果是讀操作則將讀得的數(shù)據(jù)緩存到雙口RAM中)。
2.2 初始化模塊
　 對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫或其他操作前首先應(yīng)將其初始化。初始化模塊SDInit主要負(fù)責(zé)完成SD卡的初始化工作，主要工作流程如下：
　(1)當(dāng)總線接口模塊使能SDInit后，SDInit通過SPITrans模塊向SD卡發(fā)送復(fù)位命令(CMD40)。
　(2)等待復(fù)位命令的回執(zhí)，如果復(fù)位成功(返回值為0x01)，則轉(zhuǎn)向步驟(3),否則繼續(xù)等待。
　(3)向SD卡發(fā)送初始化命令(CMD41)，等待初始化命令的回執(zhí)并將執(zhí)行結(jié)果返回給SDInterface以便通知處理器。
2.3 命令控制模塊
　命令控制模塊SDCmd主要完成SD卡命令、參數(shù)、命令校驗(yàn)值的發(fā)送和命令回執(zhí)的讀?。ㄈ绻亲x寫操作,則還要進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收）。
　SDInterface模塊使能SDCmd前會(huì)將SD命令、參數(shù)傳遞給SDCmd，這樣SDCmd使能后,首先通過SPITrans模塊將得到的命令、參數(shù)發(fā)送到SD卡,然后等待命令回執(zhí)，如果當(dāng)前命令是讀、寫之外的其他命令，則將執(zhí)行結(jié)果返回給SDInterface模塊即可;如果是讀、寫命令則收到正確的命令回執(zhí)后，則還要將數(shù)據(jù)接收并存到緩存或發(fā)送到SD卡。
2.4 選擇器和雙口RAM
　選擇器模塊Mux主要用來根據(jù)當(dāng)前操作從SDInit模塊和SDCmd模塊的輸出信號(hào)中選擇一路送至SPITrans模塊。雙口RAM是SD控制器的緩存，用來存儲(chǔ)發(fā)送到SD卡和從SD卡上讀取的數(shù)據(jù)。
2.5 串/并、并/串轉(zhuǎn)換及時(shí)鐘產(chǎn)生模塊
　SPITrans模塊主要負(fù)責(zé)串/并轉(zhuǎn)換、并/串轉(zhuǎn)換和SD卡時(shí)鐘產(chǎn)生。當(dāng)SPITrans模塊使能后，它通過對(duì)輸入時(shí)鐘進(jìn)行分頻產(chǎn)生SD卡時(shí)鐘，并在8個(gè)SD卡時(shí)鐘周期內(nèi)將選擇器輸出的8位并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)發(fā)送到SD卡，同時(shí)將SD卡DAT線上的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)返回給SDInit模塊和SDCmd模塊。
3 基礎(chǔ)讀寫設(shè)計(jì)
　SD卡控制器軟件的編寫在Altera公司的Quartus II中完成，使用SOPC Builder工具將具有Avalon總線接口的SD卡控制器封裝成IP 核并集成到SOPC中，利用Nios II IDE編寫軟件驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)SD卡的基礎(chǔ)讀寫(以扇區(qū)為單位進(jìn)行讀寫）。寫數(shù)據(jù)到SD卡扇區(qū)操作函數(shù)如下：
int sd_write(UINT8 *data, UINT32 addr)
{
int ret, i=0, j=0;
if(sd_type == 1) addr = addr << 9;
/*判斷地址偏移*/
for(i=0; i<512; i++)
　 IOWR(SD_CARD_BASE, i, data[i]);
/*寫數(shù)據(jù)*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 517, CMD24);
/*寫入地址*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 518, addr);
/*開始運(yùn)行*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 519, 0);
/*讀命令回執(zhí)*/
ret = IORD(SD_CARD_BASE, 519);
…
}
4 文件系統(tǒng)移植
　讀寫操作均以扇區(qū)為單位，SD卡僅相當(dāng)于一塊容量較大的Flash，移植文件系統(tǒng)可方便地與PC機(jī)或其他電子產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換以及后期分析處理。μC/FS是一種為其提供基本的硬件訪問功能即可應(yīng)用于任何存儲(chǔ)介質(zhì)的FAT文件系統(tǒng)，其使用標(biāo)準(zhǔn)ANSI C編寫可應(yīng)用于幾乎任何CPU。μC/FS具有以下特點(diǎn)[4]：(1)支持DOS/Windows環(huán)境下的FAT12，F(xiàn)AT16 和FAT32。(2)支持多個(gè)存儲(chǔ)器共同工作，可以同時(shí)訪問多個(gè)存儲(chǔ)器。(3)多操作系統(tǒng)支持，可以很方便地移植到幾乎任何操作系統(tǒng)。(4)可以很容易地集成使用SPI模式的MMC/SD卡通用設(shè)備驅(qū)動(dòng)等。基于以上的特點(diǎn)，μC/FS 非常適用于嵌入式系統(tǒng)。
4.1 μC/FS文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析
　μC/FS 采取分層工作方式，每一層負(fù)責(zé)不同的功能，由高層的數(shù)據(jù)抽象到底層的硬件實(shí)體分工明確，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次劃分如圖2所示。

4.2 文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
　在完成SD卡控制器及其軟件驅(qū)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)SD卡基礎(chǔ)讀寫的基礎(chǔ)上，按照μC/FS文件系統(tǒng)的接口函數(shù)編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序并對(duì)系統(tǒng)參數(shù)做相應(yīng)設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)SD卡文件操作。μC/FS文件系統(tǒng)的接口函數(shù)主要通過一個(gè)結(jié)構(gòu)體(FS__device_type)進(jìn)行描述，該結(jié)構(gòu)體包含了驅(qū)動(dòng)設(shè)備的名稱以及4個(gè)基本的驅(qū)動(dòng)設(shè)備掛接函數(shù)的函數(shù)指針：
typedef struct {
FS_FARCHARPTR name;
int (*dev_status)(FS_u32 Unit);
int(*dev_read)(FS_u32 Unit, FS_u32 Sector, void *pBuffer);
int(*dev_write)(FS_u32 Unit,FS_u32 Sector,void *pBuffer);
int(*dev_ioctl)( FS_u32 Unit, FS_i32 Cmd, FS_i32 Aux,
void *pBuffer);
} FS__device_type;
其中,dev_status()函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)FAT表狀態(tài)信息的讀取,并表明該SD設(shè)備可以使用；dev_read()函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡進(jìn)行文件系統(tǒng)塊數(shù)據(jù)的讀??；dev_write()函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡進(jìn)行文件系統(tǒng)塊數(shù)據(jù)的寫入；dev_ioctl()函數(shù)則主要實(shí)現(xiàn)文件操作的相關(guān)指令,包括文件格式化、數(shù)據(jù)cache回寫等操作。
5 仿真與驗(yàn)證
　對(duì)SD卡控制器的仿真驗(yàn)證工作主要從時(shí)序仿真和軟件驅(qū)動(dòng)控制器讀寫SD卡進(jìn)行文件操作驗(yàn)證兩方面進(jìn)行。
5.1 SD卡控制器的時(shí)序仿真
　在Quartus II中創(chuàng)建波形激勵(lì)文件后,得到的時(shí)序仿真結(jié)果如圖3所示。在仿真圖中可以看出,控制器在初始化過程中，首先將CMD0（0x40）、參數(shù)(0x00000000)和命令校驗(yàn)位(0x95)通過SPITrans模塊進(jìn)行并/串轉(zhuǎn)后發(fā)送到SD卡的CMD線進(jìn)行復(fù)位,等收到SD卡DAT線上發(fā)送回來的回執(zhí)(0x01)后,接著發(fā)送CMD1(0x41)、參數(shù)（0x00000000）和命令校驗(yàn)位(0xFF)到SD卡進(jìn)行初始化。由此可見,SD卡控制器設(shè)計(jì)符合SD卡協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

5.2文件操作驗(yàn)證
通過調(diào)用μC/FS 文件系統(tǒng)提供的API函數(shù),如：FS_Fopen()打開文件、FS_FRead()讀文件、FS_FWrite()寫文件等編寫測(cè)試程序如下:
void main(void)
{
char *device="sd:"
const char *WriteMsg="test sd card writen";
FS_Init(); /*初始化文件系統(tǒng)*/
show_free(device); /*顯示SD卡空間信息*/
write_file("test.txt",WriteMsg); /*寫入文件test.txt*/
show_directory(device); /*顯示根目錄文件信息*/
dump_file("test.txt"); /*讀test.txt文件內(nèi)容*/
…
}
　選用4 GB容量的SDHC卡,在PC機(jī)上將其格式化為FAT文件系統(tǒng)并創(chuàng)建文件夾HELLO和文件WORD.DOC。SD卡在線運(yùn)行調(diào)試結(jié)果如圖4所示。由運(yùn)行結(jié)果可知，初始化成功并識(shí)別此SD卡為SDHC (Secure Digital High Capacity)卡，卡容量為964 256(總簇?cái)?shù))×8（每簇扇區(qū)數(shù)）×512（每扇區(qū)字節(jié)數(shù)）≈3.7 GB。創(chuàng)建test.txt文件成功后讀取根目錄(有文件目錄hello、文件word.doc和文件test.txt),讀取文件test.txt內(nèi)容為test sd card write與寫入一致。運(yùn)行結(jié)果表明文件操作正確可靠。

通過對(duì)SD卡物理層協(xié)議和μC/FS 文件系統(tǒng)的研究，成功設(shè)計(jì)了具有Avalon總線接口的SD卡控制器，并通過時(shí)序仿真、軟件驅(qū)動(dòng)的方式進(jìn)行仿真和調(diào)試，驗(yàn)證了SD卡控制器的工作情況，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了SD卡中的文件操作，使SOPC設(shè)計(jì)能與PC機(jī)或各種電子產(chǎn)品方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。本設(shè)計(jì)已成功應(yīng)用在基于SOPC架構(gòu)的多用途無線防盜監(jiān)控系統(tǒng)中。
參考文獻(xiàn)
[1] SD Group. SD specifications part 1: physical layer simplified specification version 2.0,september 25, 2006.
[2] 李錦,呂柏權(quán). 基于AT91RM9200的SD卡主控制器的設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2009,30(1):64-67.
[3] Altera.Avalon bus specificational reference manual[EB/OL]. http://www.altera.com, 2002.
[4] User′s & reference manual for μC/FS V1-34a. Micriμm Technologies Corporation. 2003.
[5] 鄭千洪, 王黎, 高曉蓉. 嵌入式平臺(tái)上NAND Flash的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息, 2009,25(4-2):102-105.