SD卡中的數據是以塊為單位進行存儲的，如果在硬件層面對其進行操作，則不僅要非常了解SD卡的數據存儲結構，還要對FAT系統有深刻的理解，然后用復雜的時序狀態機對其扇區進行初始化和讀取控制，對硬件直接進行操作可以節省FPGA資源。為了更有效地組織和管理SD卡中的數據，必須采用文件的格式進行組織數據，這就要求在SD卡中內嵌文件系統。而隨著FPGA的高速發展，以Altera NIOSⅡ和Xilinx的MicroBlaze為代表的軟核處理器以其高可定制性、與ARM相比相同價格下的高性能得到廣泛的應用。

　　本文正是利用其豐富的外設和接口定制構建SD卡的FAT文件系統。

　　1 接口和控制器的設計

　　1.1 接口的配置

　　SD卡有SD模式和SPI模式2種，SPI是一種高速、同步、全雙工的通信總線，只占用4根信號線，節約芯片的管腳，有利于PCB的布局。前者速度較快，后者比較方便我們采用后者SPI與FPGA進行通信，它由4個信號組成，分別是CS（片選信號）、MOSI（主機到SD卡）、MISO（SD卡到主機）、SCLK（主機和SD卡的同步時鐘），以主從方式工作，本文中SPI為主機，SD卡是從機，處于單主單從模式。在由NIOSⅡ軟核處理器控制的Avalon總線下可以方便地與SD卡進行對接。Avalon總線是一種將片上處理器和外設連接成片上可編程（SoPC）的一種簡單總線結構，它規定了主從設備之間的結構方式及其通信方式，通過使用SoPC Builder可以很方便地將自定義外設和其他組件組合起來，生成按照組件例化的系統模塊，并自動生成內部總線邏輯，自動完成外設和存儲器的地址映射、中斷控制和總線控制。圖1所示為設備之間的連接示意圖，NIOSⅡ處理器和外設SD卡控制器的通過Avalon總線結構進行數據交換和溝通，SD卡控制器控制著外部SD卡存儲介質。

　　1.2 控制器的設計

　　SD卡控制器是FPGA和SD卡之間進行通信的翻譯官，主要實現3大功能：（1）復位和初始化SD卡。控制器按照SD卡總線協議產生控制時序對其進行復位和初始化。

　　（2）讀寫SD卡。控制器通過CMD線發送讀或者寫的命令以及SD卡扇區地址，確認收到正確的響應后，通過DAT線進行讀和寫操作（分別涉及串并轉換和并串轉換），一次傳輸一個扇區的數據（512B），傳輸完畢后將就緒信號置為有效。

　　（3）設置SD卡。通過CMD線發送命令和參數，不發送或接受數據。

　　圖1 設備連接示意圖

　　1.3 SoPC中的硬件搭建

　　SoPC（SystemonaProgrammableChip），即可編程片上系統，用可編程邏輯把整個系統放到一塊硅片上，是一種特殊的嵌入式系統，可以編程的片上系統（SOC）。

　　借助于AlteraSoPC方便的組件定制、硬件組裝和它的靈活的設計方式，不用一個個親自用硬件語言去實現各個組件，只需要在SoPC里定制，最后結果如圖2所示，因為SD卡的工作頻率最高為25MHz，與FPGA自身的時鐘頻率不一定一樣，所以要加上clock＿crossing用于協調2個不同的時鐘域。onchip＿memory是片內存儲器，用于儲存程序運行的代碼或者堆棧之類的變量。timer和sysid用來協調這些組件良好運作，例如SoPCBuilder會使用SystemID為每個系統提供識別符號，NIOSⅡEDS可以用此防止使用者燒錄與硬件信息不符合的sof文件。Timer是內部時鐘定時。如果丟失這兩個組件，會導致最后的軟件運行出現錯誤。

　　圖2 SoPC組件定制

　　其中sd＿wp＿n是SD卡寫保護信號線，由于默認激活SD卡所以片選信號沒加。altpll是鎖相環，用來調節穩定所需的時鐘信號，DE2系列的開發板上都有1到2個鎖相環。jtag＿uart用來調試、打印數據到控制臺，驗證讀取寫入的數據是否相同。

　　2 驅動程序的設計

　　SD卡處于SPI模式的驅動主要包含有：（1）SPI底層的操作，SPI的命令和數據塊都是以8個比特為單位進行分組和發送的。

　　（2）關于CMD的操作，主要有SD卡的初始化以及SD卡的讀寫，先發送命令然后再發送CRC校驗。

　　（3）CRC校驗使用NIOSⅡ來解決這個問題：NIOSⅡ軟件架構建立在硬件抽象層HAL（Hardware AbstractionLayer）之上，HAL為NIOS軟件開發者提供了編程接口、底層的設備驅動、HALAPI、和C標準庫等資源［6］，表1為系統整體的架構示意。

　　HAL的系統庫為NIOSⅡ軟件設計人員提供了應用程序與底層硬件交互的設備驅動接口，簡化了應用程序的開發。HAL系統庫也為應用程序與底層硬件驅動劃分了一條清晰的分界線，提高了應用程序的復用性，使得應用程序不受底層硬件變化的影響。

　　SD卡的上電初始化過程可以分成以下5個步驟：（1）適當延時等待SD就緒；（2）發送74＋個spi＿clk，且保持spi＿cs＿n＝1spi＿mosi＝1；（3）發送CMD0命令并等待響應R1＝8‘H01，將卡復位到IDLE；（4）發送CMD1命令并等待響應R1＝8’H00，激活卡的初始化進程；（5）發送CMD16命令并等待響應R1＝8‘H00，設置一次讀寫BLOCK的長度。

　　SD卡的數據讀取操作也大致可以分為以下步驟：（1）發送命令CMD17；（2）接受讀數據起始令牌0xFE；（3）讀取512B數據以及2B的CRC.借助于NIOSⅡ可以軟件編寫最底層的SPI操作函數來實現上述復雜的步驟：

　　externINT8USPI＿Sendbyte（INT8Udata）

　　externINT8USPI＿Recibyte（void）

　　上面分別是SPI發送1B以及接收1B，這2個函數的使用需要調用SoPC中的SPI核中的庫函數，然后是SD卡的初始化和讀寫函數：初始化：externintSD＿Reset（void）；讀一扇區：externintSD＿ReadBlock（INT32U blockaddr，INT8U＊recibuf）；寫一扇區：externintSD＿WriteBlock（INT32U blockaddr，INT8U＊sendbuf）；通過這些代碼，可以一步步的向SD卡發送CMD指令，使其復位，激活成SPI模式，并設置塊大小為512B.

　　3 文件系統的設計

　　若讀寫操作都是以扇區為單位，SD卡僅相當于FLASH.為了管理SD卡中的數據，并方便在Windows系統中訪問SD卡中的數據，就必須將SD卡中的數據有效組織起來，以文件的形式進行存儲和訪問，可以給SD卡創建一個文件系統，常見的是微軟公司推出的FAT16和進化版FAT32. FAT存儲原理［7－8］：FAT16由6部分組成，首先是引導扇區（DBR），引導扇區（DBR）即操作系統引導記錄區，通常占用分區的第0扇區共512B.在512B中，又由跳轉指令、廠商標志、操作系統版本號、BPB、擴展BPB、OS引導程序、結束標志幾部分組成。如圖3所示［9］，根文件夾緊跟著的是FAT表（FAT1，FAT2，FAT2是FAT1的備份），FAT表是FAT16文件系統用來記錄磁盤數據簇鏈結構的，FAT中磁盤空間按照一定數目的扇區為最單位進行劃分，這種單位稱為簇，一般每扇區分為512B，而簇的大小是2n（n為整數）個扇區，所以簇的大小一般是512B，1KB，2KB，4KB等，一般不超過32KB.以簇為單位的原因是扇區太小，如果用扇區的話對大文件的存取會消耗很多資源，增加FAT表的項數，這樣文件系統的效率就非常低。

　　引導扇區根文件夾FAT1FAT2其他文件系統本質上就是把上層對文件的操作轉換為底層對數據簇的操作（例如初始化，讀扇區，寫扇區等）。

　　圖3 FAT結構

　　本文中最底層的2個函數如下：FAT＿ReadSector，FAT＿WriteSector文件系統目錄的數據結構如下：typedefstruct｛charName［8］；charExtension［3］；charAttribute；charreserved［2］；unsignedshortCreateTime；unsignedshortCreateDate；unsignedshortLastAccessDate；unsignedshortLastWriteTime；unsignedshortLastWriteDate；unsignedshortFirstLogicalCluster；unsignedintFileSize；｝FAT＿DIRECTORY；對底層函數進行調用的應用層函數有：FAT＿Init（初始化函數）

　　FAT＿GetSize（獲取磁盤大小）

　　FAT＿Open＿File（打開文件）

　　FAT＿Read＿File（讀文件）

　　FAT＿Create＿Dir（新建文件夾）

　　FAT＿Create＿File（新建文件）

　　FAT＿Dele＿File（刪除文件）

　　有了這些底層函數和API函數后，要對SD卡進行操作只需要在NIOS的頂層main.C文件里面調用這些函數。用軟件的方法完成順序執行的操作，而這正是硬件執行的軟肋。下面列出main函數核心的代碼：while（1）｛printf（“。。。。。。＼r＼n”）；hfat＝fat＿mount（SD＿CARD，0）；if（hFat）｛printf（“SD卡加載成功！＼n”）；printf（“讀取根目錄：＼n”）；fat＿test（hfat，“test.txt”）；fat＿Unmount（hFat）；printf（“測試完成。重試請按KEY鍵＼r＼n”）；｝else｛printf（“無法加載SD卡，請仔細檢查是否插入并按KEY鍵重試＼r＼n”）；｝while（（IORD＿ALTERA＿AVALON＿PIO＿DATA（KEY＿BASE）＆0x08）＝＝0x08）；usleep（300＊1000）；｝測試：在一張SD卡里存放了一個test.txt文件，插到開發板的SD卡槽里。最后的圖4是NIOS控制臺最終的運行結果，程序正確的顯示出了卡里面的文件夾和文件，以及test.txt里面的文件內容，驗證了本系統可以正確運行。

　　圖4 NIOSⅡ運行結果

　　4結語

　　本設計基于SoPC以NIOSⅡ軟核處理器為控制核心，根據標準的FAT32文件系統規范，完成了對SD卡的基礎操作。該設計雖比硬件讀取占用稍稍多點的資源，但是方便了開發者對嵌入式設備外設的操作和移植，有非常實際的可操作性和應用。