基于Nios II 軟核處理器的SD卡接口設(shè)計(jì)

0 引言

Altera公司開發(fā)的Nios II是基于可編程片上系統(tǒng)SOPC(System on a Programmable Chip)技術(shù)的32 位嵌入式處理器軟核。Altera 公司開發(fā)的Nios II軟核，可以直接放在FPGA中，它體現(xiàn)了把實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的全部單元電路集成到一個(gè)芯片之內(nèi)的片上系統(tǒng)SOPC的思想。作為一種具有競爭力的技術(shù)，在國外已經(jīng)有大量的產(chǎn)品使用了這種技術(shù)，在國內(nèi)使用Nios II處理器進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開發(fā)者也越來越多，但是離大規(guī)模應(yīng)用還有距離，應(yīng)該得到更加廣泛的關(guān)注。本文在實(shí)際的項(xiàng)目中需要使用Nios II來開發(fā)存儲系統(tǒng)，對于利用Nios II來進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)，還有許多工作需要去深入研究本文在進(jìn)行存儲系統(tǒng)項(xiàng)目開發(fā)的過程中，完成了基于FPGA的系統(tǒng)硬件軟件設(shè)計(jì)。為了到達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，就需要對Nios II的SOPC技術(shù)進(jìn)行深入的研究。還需要進(jìn)行uClinux操作系統(tǒng)的移植，基于操作系統(tǒng)的SD卡數(shù)據(jù)讀寫，必然就要涉及到怎樣編寫驅(qū)動程序。本文先簡單介紹操作SD卡的基本的硬件電路，接著給出了SD卡讀寫操作和驅(qū)動程序設(shè)計(jì)的基本過程。最后給出了全文的結(jié)論，本文給出的方法具有一定的普遍性，和實(shí)用性。

1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 SD卡

SD卡(Secure Digitgal Memory Card)即“安全數(shù)碼存儲卡”是由日本松下公司、東芝公司、美國SANDISK 等公司在MMC卡的基礎(chǔ)上共同開發(fā)研究而推出的，是一種容量大、高性能、安全性好、訪問接口簡單的存儲卡，得到了廣泛的使用。使用的范圍包括：MP3、數(shù)碼攝像機(jī)和照相機(jī)產(chǎn)品、智能手機(jī)等消費(fèi)類電子設(shè)備。當(dāng)前很多微處理器在內(nèi)部都集成了與SD卡通信的接口電路。

1.2 SD卡的特征

SD 卡的外形和接口觸點(diǎn)如圖1 所示。外形尺寸分為兩種，分別為：24 mm * 32 mm * 2.1 mm 或24 mm * 32mm *1.4mm.

圖1 SD 卡的形狀和接口

微處理器和SD卡之間的接口電路，要符合一定的約定，這個(gè)在SD卡的讀寫操作中，被稱為通信協(xié)議。為了適應(yīng)不同的通信協(xié)議，可以設(shè)置SD 卡使其工作在不同的通信模式之下。SD卡的通信模式分為兩種，一種是所謂的SD模式，另一種是SPI模式?，F(xiàn)在SPI通信模式得到越來越多的使用。在處理器和SD卡的通信過程中，和SD卡通信的處理器(稱為主機(jī))，選擇一種通信方式，但在通信的整個(gè)過程中不能改變通信模式。SD卡分析復(fù)位命令，以確定下面的通信采用什么模式，在接下來的時(shí)間內(nèi)，通信雙方要使用相同的通信模式。

當(dāng)工作在SD模式下時(shí)，主機(jī)使用SD總線訪問SD卡，使用多點(diǎn)總線拓樸結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)包括一個(gè)主機(jī)和多個(gè)從機(jī)(這里是指SD卡)。所有的SD卡共用一個(gè)時(shí)鐘信號CLK、電源和地，命令線和數(shù)據(jù)線則是屬于每一SD卡所專用的。前面說到現(xiàn)在的微處理器都集成有硬件SPI接口，用于板內(nèi)的芯片之間的操作非常方便。當(dāng)設(shè)定工作在SPI模式下時(shí)，主機(jī)使用自身所帶的SPI總線來訪問SD卡。微處理器在第一個(gè)發(fā)給SD卡的復(fù)位命令中配置通信模式為SPI方式，當(dāng)然在操作SD卡的通信期間，通信模式是不能更改為SD模式的。

1.3 SD卡內(nèi)部構(gòu)造

圖2是SD卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，主機(jī)通過SD卡的接口控制器來控制SD內(nèi)部的存儲單元中的數(shù)據(jù)。這樣設(shè)計(jì)的目的一方面是把SD卡內(nèi)部的存儲器和外部的操作隔離開來，利于保護(hù)內(nèi)部的數(shù)據(jù)。另一方面也有利于內(nèi)部存儲器采用更新的工藝，而不影響外部的訪問接口。

在使用微處理器來讀寫SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)時(shí)，要嚴(yán)格遵循通信協(xié)議。首先SD卡的數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇亲止?jié)。但是在SD卡的內(nèi)部是以塊為單位來組織數(shù)據(jù)的。對SD的數(shù)據(jù)讀取操作本質(zhì)上是以塊為單位的。一個(gè)塊的長度一般是2的冪，比如256字節(jié)或者512字節(jié)。在具體的一次數(shù)據(jù)傳輸中塊的長度(以字節(jié)為單位)可以在傳輸數(shù)據(jù)之前的命令控制字中設(shè)置。至于SD卡所允許的塊的最大長度可以讀取SD卡的寄存器CSD來確定。在SD卡內(nèi)部有控制寄存器和狀態(tài)寄存器，其中的4個(gè)寄存器中存放著配置信息，比如RCA寄存器中存放本次通信過程中由主機(jī)分配的地址。

1.4訪問SD卡的硬件電路

SD卡采用SPI總線方式與處理器連接，其電路原理如圖2所示。

圖2 SD 卡接口電路圖

1.5 NiosII的構(gòu)建過程

首先要考慮到的是使用什么樣的Nios II,Nios II分為幾個(gè)等級，有標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核和高速內(nèi)核。由于本系統(tǒng)對速度的要求并不高，設(shè)計(jì)時(shí)采用了標(biāo)準(zhǔn)的Nios II內(nèi)核。在速度和所占用的資源方面具有比較好的折中。采用Altera公司的SOPC Builder工具來進(jìn)行構(gòu)建，生成一個(gè)Nios II的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核。

接著要對選中的Nios標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核進(jìn)行配置，這里要考慮的問題是如何如何分配片內(nèi)存儲器和片外存儲器的使用。片內(nèi)存儲器的資源是很寶貴的，所以要先確定系統(tǒng)運(yùn)行所需要的片內(nèi)ROM或RAM,在滿足性能的條件下，盡可能使用較少的片內(nèi)存儲器。

對于一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)，光有片內(nèi)存儲器一般是不夠的，尤其是考慮到要進(jìn)行嵌入式操作系統(tǒng)的移植，所以還要增加片外存儲器。Niso II通過Avalon總線和片外存儲器以及外部設(shè)備連接。外部存儲器件的類型包括SRAM、SDRAM、DDR2、Flash等，外部設(shè)備包括UART串行口等。本設(shè)計(jì)采用SDRAM.

接著是添加PIO端口，定義輸入輸出端口，主要的目的是用于Nios II讀取數(shù)字量。Nios II所采用的時(shí)鐘和FPGA 的時(shí)鐘密切相關(guān)，一般是通過鎖相環(huán)PLL 把外部輸入的時(shí)鐘進(jìn)行倍頻之后再送給Nios II來作為主頻使用，同時(shí)外部設(shè)備也使用時(shí)鐘信號。外部時(shí)鐘信號為25MHz,而經(jīng)過倍頻后為50MHz.

至此，主要的配置過程就結(jié)束了。但是還是需要配置如下部分：

(1) 分配存儲器和外部設(shè)備的基地址和中斷請求優(yōu)先級;

(2) 設(shè)定NiosII處理器的啟動地址，本設(shè)計(jì)把片內(nèi)存儲器設(shè)定為Nios II的啟動地址。

(3) 在生成NiosⅡ系統(tǒng)時(shí)，可以選擇生成Verilog語言還是VHDL 語言，本設(shè)計(jì)采用VHDL語言進(jìn)行設(shè)計(jì);

(4) 最后生成的qsf文件，相當(dāng)于整個(gè)工程的文件，但是關(guān)于配置管腳使用的部分，需要用戶去生成。生成的方法可以在圖形界面下配置，也可以通過寫tcl文件的方法。寫tcl文件的方法一般來講，對于大型工程，還是比較方便的。[!--empirenews.page--]

(5) 編譯整個(gè)NiosⅡ系統(tǒng)，在Altera 提供的開發(fā)環(huán)境Quartus II 中進(jìn)行編譯。頂層設(shè)計(jì)文件可以使VHDL 也可以是原理圖的形式。

(6) 采用JATG口進(jìn)行下載，把生成的的SOF文件下載到FPGA里。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Altera公司為了用戶方便使用Nios II來快速研制產(chǎn)品，提供了功能強(qiáng)大、易于使用的Nios II集成開發(fā)環(huán)境，與一般的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)比較類似。在生成NiosII的過程中已經(jīng)自動生成了需要使用的頭文件(一般是C語言的頭文件)，同時(shí)一般外圍設(shè)備的驅(qū)動程序也可以生成。對于嵌入式操作系統(tǒng)，可以使用用戶自己裁剪的ucLinux內(nèi)核也可以使用Altera提供的操作系統(tǒng)內(nèi)核。本設(shè)計(jì)使用 Altera公司提供的Nios II 9.0版本的開發(fā)環(huán)境。

2.1 SD卡初始化

在對SD 卡進(jìn)行讀/寫之前，必須知道卡的類型、卡的容量、卡的大小等信息。具體來說，初始化函數(shù)主要完成以下工作：

(1) 微處理器(這里指Nios II)復(fù)位SD卡，激活SD卡內(nèi)部控制電路進(jìn)行初始化處理，使SD卡進(jìn)入SPI 模式;

(2) 發(fā)送命令查詢SD卡是否支持3.3V供電;

(3) 調(diào)整SPI時(shí)鐘頻率;

(4) 根據(jù)編譯選項(xiàng)使能或者禁止通信過程中的CRC校驗(yàn);

(5) 設(shè)置用于讀/寫操作的塊數(shù)據(jù)長度;

(6) 最后是初始化全局變量sds.

SD卡初始化函數(shù)INTSU SD_Initialize(viod)就是用于完成以上任務(wù)的，它讀取SD卡內(nèi)部CSD寄存器，然后對全局變量sds進(jìn)行賦值。

2.2 SD卡讀寫操作

對SD卡的讀寫操作需要知道SD 卡的一些基本的屬性：插入卡座中SD卡的型號;SD卡中全部塊的數(shù)量;SD卡的最大數(shù)據(jù)塊的長度;一次可擦除的塊數(shù)量;卡的讀取、寫入、擦除操作的超時(shí)時(shí)間。

SD卡讀/寫軟件包中定義了一個(gè)全局變量sds,軟件包的很多地方使用了這個(gè)全局變量。SD卡的寫操作包括寫單塊和寫多塊兩種方式。SD卡的初始化函數(shù)SD_Initialixe()已經(jīng)調(diào)用SD_SetBlockLen()函數(shù)設(shè)定了讀/寫數(shù)據(jù)的長度為SD_BLOCKSIZE 字節(jié)，所以卡初始化以后，讀寫都必須以塊為單位。

3 SD卡驅(qū)動設(shè)計(jì)

Nios II軟件架構(gòu)是建立在HAL(Hardware Abstraction Layer)基礎(chǔ)之上的。HAL為Nios II的軟件開發(fā)者提供了操作底層硬件的編程接口。設(shè)備驅(qū)動驅(qū)動程序的編制一般要使用HAL提供的API函數(shù)以及C標(biāo)準(zhǔn)庫等。HAL提供的功能以及它與底層設(shè)備驅(qū)動程序之間的關(guān)系如圖3所示，這種模塊化的設(shè)計(jì)架構(gòu)可以加速應(yīng)用程序的開發(fā)。使用這種分層的體系架構(gòu)，HAL層把應(yīng)用程序和底層硬件驅(qū)動程序之間隔離開來，使得應(yīng)用程序的開發(fā)不依賴于底層HAL和硬件的變化，增加了應(yīng)用程序的可移植性。設(shè)計(jì)驅(qū)動程序最重要的是理解具體SD卡的讀寫操作的過程，之后是如何和嵌入式操作系統(tǒng)連接起來。在編制好SD卡的驅(qū)動程序后，在應(yīng)用程序中操作SD卡就簡單了。所以編制SD卡的驅(qū)動在本設(shè)計(jì)中是重要的一部分。

圖3 基于HAL的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

結(jié)束語

本文基于Nios II實(shí)現(xiàn)了對于SD卡的控制，不僅包括硬件設(shè)計(jì)還包括系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于硬核處理器的架構(gòu)，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)受到了限制。SOPC的設(shè)計(jì)思想使得片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加靈活，硬件設(shè)計(jì)的限制因素基本不存在了。在一個(gè)FPGA的芯片上幾乎可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)整個(gè)系統(tǒng)，對于系統(tǒng)的小型化的作用是顯著的。本文對基于NiosⅡ的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)完成了以Altera公司的Cyclone III系列中的EP3C16 FPGA為核心芯片的SOPC開發(fā)平臺。另外本文在此平臺之上，移植了嵌入式操作系統(tǒng)，并在此環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了SD卡的接口設(shè)計(jì)，因此包括了整個(gè)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，分析了Nios II 的Avalon總線的系統(tǒng)架構(gòu)、SD 卡的通信協(xié)議。