基于Avalon總線的SD卡讀寫控制器的設(shè)計(jì)

0 引言
    當(dāng)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(chǔ)設(shè)備，具有大容量，高速度的特點(diǎn)，很好地滿足了市場的具體需求，被廣泛用于便攜式消費(fèi)類電子設(shè)備，例如手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)、PDA和各種多媒體播放器等。在工業(yè)控制領(lǐng)域，同樣有大量數(shù)據(jù)需要采集，存儲(chǔ)，分析。而傳統(tǒng)用MCU的GPIO模擬SD卡的時(shí)序?qū)崿F(xiàn)讀／寫調(diào)試復(fù)雜、讀／寫速度慢，已經(jīng)不能符合大多數(shù)應(yīng)用的需求。利用FPGA自身高速并行的特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)IP復(fù)用，大大提高開發(fā)效率，降低成本，具有極大的應(yīng)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(hào)處理系統(tǒng)、普通數(shù)字電路邏輯在單一FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)。SoPC系統(tǒng)中的各個(gè)外設(shè)通過Avalon總線相連，可簡單實(shí)現(xiàn)IP復(fù)用，因此，系統(tǒng)在開發(fā)周期、體積、功耗、功能、產(chǎn)品升級(jí)維護(hù)等多方面實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，逐漸成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)，它定義了主從端口對之間通信的信號(hào)類型和時(shí)序關(guān)系。在結(jié)構(gòu)上不同于傳統(tǒng)的共享式總線：它在需要連接的每一個(gè)主從端口對之間都有點(diǎn)到點(diǎn)的連接，不同的主從端口對之間可以同時(shí)進(jìn)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(jí)特性，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)提高系統(tǒng)的性能。Avalon總線標(biāo)準(zhǔn)也在不斷的升級(jí)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(shè)計(jì)中，SoPC Builder提供了直觀的圖形用戶界面，設(shè)計(jì)人員可以很方便地添加自定義外設(shè)，SoPC Builder將自定義外設(shè)和其他組件組合起來，生成對這些組件進(jìn)行例化的單個(gè)系統(tǒng)模塊，并且自動(dòng)生成內(nèi)部總線邏輯，按照設(shè)計(jì)人員的要求將這些外設(shè)與NiosⅡ處理器連接起來，并自動(dòng)完成外設(shè)和存儲(chǔ)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(shè)計(jì)，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(tái)硬件上的原因，該設(shè)計(jì)采用的是1 b的SD模式實(shí)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(gè)起始位開始，以停止位終止。每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一個(gè)命令或數(shù)據(jù)位?？刂破魍ㄟ^CMD信號(hào)線發(fā)送命令到SD卡，用于對SD卡進(jìn)行相應(yīng)的操作，SD卡接收到命令后，會(huì)發(fā)送相對應(yīng)的響應(yīng)給控制器，這些響應(yīng)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(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段，則可以進(jìn)行讀／寫操作。為了避免命令，數(shù)據(jù)和響應(yīng)傳輸?shù)腻e(cuò)誤，SD規(guī)范中采用了CRC技術(shù)，在傳輸命令和響應(yīng)時(shí)，需要進(jìn)行CRC7效驗(yàn)，而在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，則需要進(jìn)行CRC16效驗(yàn)。該控制器主要采用SD的CLK，CMD，DAT0三根信號(hào)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(shè)置相關(guān)寄存器。狀態(tài)控制邏輯根據(jù)寄存器中的相關(guān)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(yīng)的命令到SD卡。命令在時(shí)鐘信號(hào)CLK的上升沿經(jīng)過CRC7校驗(yàn)后通過CMD信號(hào)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(gè)命令就實(shí)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(hào)占6 b，每個(gè)命令必須填充開始標(biāo)志，命令的參數(shù)以及CRC7校驗(yàn)數(shù)據(jù)以及結(jié)束標(biāo)志，發(fā)送1個(gè)完整的命令需要寫入48b。
    SD卡在接收到命令后，會(huì)根據(jù)寫入的命令執(zhí)行相應(yīng)的操作，并發(fā)送相應(yīng)的Response給控制器，其中Re-sponse也分為幾種，包含長響應(yīng)和短響應(yīng)，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。控制器根據(jù)返回的狀態(tài)的信息決定下一步操作，即發(fā)送下一個(gè)命令?？刂破鲀?nèi)部總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    控制器上電后自動(dòng)進(jìn)行初始化，將SD卡的狀態(tài)保存到狀態(tài)寄存器中，在進(jìn)行讀／寫前，應(yīng)先讀取SD卡的狀態(tài)信息，在SD卡進(jìn)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(hào)，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(gè)讀／寫完成的中斷，即可以開始讀／寫下一個(gè)扇區(qū)。進(jìn)行讀操作時(shí)，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(jìn)行寫操作時(shí)，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?？刂破髡麄€(gè)讀／寫過程無需CPU干預(yù)，由Master端口主動(dòng)完成，CPU僅需寫入相關(guān)控制命令，大大提高了CPU的利用率。

4 Avalon-MM接口設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在Avalon總線上的傳輸，必須實(shí)現(xiàn)Avalon總線相關(guān)信號(hào)和時(shí)序邏輯，主要包括數(shù)據(jù)、地址、讀／寫控制、中斷、時(shí)鐘復(fù)位等信號(hào)。
    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(hào)如表1所示。

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

    該控制器內(nèi)部有6個(gè)寄存器，也可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)更多，通過軟件設(shè)置相關(guān)寄存器即可進(jìn)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(shè)計(jì)
    為了驗(yàn)證SD卡讀寫控制器，在DE2開發(fā)平臺(tái)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(shí)鐘信號(hào)，片上RAM用來存儲(chǔ)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(tái)驗(yàn)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(guān)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(shè)置控制器中各信號(hào)在Avalon-MM總線中的信號(hào)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(shí)鐘，該設(shè)計(jì)采用PLL產(chǎn)生的25MHz時(shí)鐘信號(hào)；
    clk_to_SD：SD卡時(shí)鐘信號(hào)輸入；
    cmd_SD：SD卡命令，響應(yīng)輸入／輸出信號(hào)；
    data_SD：SD卡數(shù)據(jù)信號(hào)。
    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(jìn)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(gè)扇區(qū)后，控制器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，此時(shí)即可進(jìn)行下一次讀／寫操作。由于SD卡讀／寫有比較復(fù)雜的時(shí)序要求，命令、響應(yīng)眾多，在設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)觀測內(nèi)部信號(hào)變化，而且可以設(shè)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(hào)，高電平時(shí)無法進(jìn)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(jié)語
    該設(shè)計(jì)采用SoPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了SD卡讀寫控制器，通過NiosⅡ處理器控制實(shí)現(xiàn)了SD卡讀／寫。由于該控制器根據(jù)Avalon接口規(guī)范進(jìn)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(shí)現(xiàn)SD卡的讀／寫，大大降低了開發(fā)成本和難度。本文所設(shè)計(jì)的SD卡讀寫控制器還有一大優(yōu)點(diǎn)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(yù)，另外采用了中斷，降低了響應(yīng)延時(shí)，提高了讀／寫速率。該設(shè)計(jì)滿足了大部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)需求，適用于工業(yè)監(jiān)測控制，一般消費(fèi)類電子產(chǎn)品等。