基于NiosⅡ的SD卡驅動程序開發

鄧中亮，陳 續

（北京郵電大學 電 子工程學院，北京100876）

近年來，基于FPGA的軟核處理器以其高度的設計靈活性和低成本在嵌入式市場中得到重視并不斷發展。其中具有代表性的軟核處理器有Altera的NiosⅡ處理器和Xilinx的MicroBlaze處理器。NiosⅡ處理器具有完全的可定制性，包括處理器的定制，外設的定制和接口的定制等；32位的NiosⅡ處理器具有超過200 DIMP的性能，而其成本只有同級別性能ARM處理器的1/10。此外，SD存儲卡以其大容量和小尺寸的特點，成為市面上各種嵌入式消費產品最常見的存儲媒介，探討SD卡設備的設計具有廣泛的應用價值。這里將結合NiosⅡ處理器的總線架構，分析SD卡的接口協議和驅動程序設計方法，并給出SD卡設備在NiosⅡ處理器的設計實例。

1 NiosⅡ處理器的Avalon總線架構

Nios和NiosⅡ都使用了Avalon總線，這是一種交換式架構的片內總線。該總線形式和PCI、ISA等板間互連總線的最大區別在于：其主從設備之間有緊密耦合關系。Avalon總線架構中，由硬件設計人員通過SOPC Builder規定互連的主從設備（包括數據、控制信號、片選、地址的互連），不連接的設備之間是互相看不到的。每個Avalon主設備端有多路復用器，用來從多個從設備的數據總線中選擇當前要訪問的數據[1]。圖1為Avalon總線系統結構。

圖1 Avalon總線系統結構

Avalon接口用于提供描述主外設和從外設中基于地址讀/寫接口的基礎，例如，微控制器、存儲器、UART及定時器等。接口規范定義了外設和Avalon開關互聯結構之間的數據傳輸。在沒有主或從接口限制的情況下，規范的互聯策略允許任何主外設連接到任何從外設；Avalon接口描述了一個可配置的互聯策略，允許外設的設計者限制某種特定傳輸所需的信號類型。

Avalon定義了5種傳輸方式：從端口傳輸、主端口傳輸、流水線讀傳輸、流傳輸控制和三態傳輸。這里僅分析SD卡設備所使用的從端口傳輸方式。

1.1 從設備信號

從設備信號是與主設備相連接的一組信號端口，這里所針對的SD卡設備的Avalon從端口需定義的信號端口如表1所列。

表1所列出的從設備信號只是這里所針對的SD卡設備所需要的信號，并不是從設備所支持的所有信號。對于其他從設備可根據其自身特點及需要來選擇相應的信號接口。

表1 從端口信號

1.2 從端口讀/寫傳輸

從端口讀傳輸是主設備通過SD卡控制器對SD卡進行讀取的操作，即讀取SD卡的數據；從端口寫傳輸是主設備通過SD卡控制器對SD卡進行寫操作，即對SD卡寫入數據。圖2為從端口讀/寫信號時序。

圖2 從端口讀/寫信號時序

從端口讀傳輸時，在時鐘上升沿開始傳輸數據，并在下一個時鐘上升沿完成傳輸。在clk的第1個上升沿，system interconnect fabric配合read、begintransfer信號將有效的address，byteenable和read信號傳輸給從端口，且system interconnect fabric在內部將address譯碼，產生并驅動從端口的chipselect信號。chipselect信號一旦有效，則從端口立即驅動readdata。system interconnect fabric則在下一個clk上升沿捕獲readdata。

從端口寫傳輸是由system interconnect fabric發起的。它向從端口傳輸1個單元的數據，且在1個時鐘周期內完成。system interconnect fabric配合write、begintransfer信號提供address，writedata，byteenable和write。systeminterconnect fabric不對address進行譯碼，驅動chipselect，并使其有效。從端口在下一個時鐘的上升沿捕獲地址、數據和控制信號，并完成寫傳輸。

從端口的讀寫時序是通過SD卡控制器完成的，而SD卡的控制器是以NiosⅡ軟核處理器外設的形式與處理器相連接的，其關系如圖3所示[2]。

圖3 SD卡設備總體架構

2 SD卡的接口協議分析

SD卡即可靠數字存儲卡（Secure Digital Memory Card），是為滿足消費電子類產品對安全、容量、性能等有特殊要求的環境而設計的。SD卡定義了SD和SPI這2種可選擇的總線協議。這里研究的是SPI協議下的SD卡設備開發。SPI是面向字節的傳輸，SPI的命令和數據塊都是以8個比特為單位進行分組的。SPI的信息分為控制幀、反饋幀和數據幀，所有的SPI信息都是建立在命令、應答和數據端口標記上的。所有主機和卡之間的通信都由主機控制，主機通過拉低CS信號開始一個總線事務[3]。

SPI模式下，SD卡可支持單個塊和多個塊的讀/寫操作，在接收到一個合法的讀取命令后，這個SD卡可將用一個應答標志來應答響應，隨后的就是一個數據塊。在接收到一個合法的寫指令時，SD卡將響應一個應答標記，并等待主控制器發送這個數據塊。

圖4為單個塊數據的讀取操作，圖5為單個塊數據的寫入操作。

圖4 單個塊數據的讀取操作

圖5 單個塊數據的寫入操作

3 SD卡驅動設計

NiosⅡ軟件架構是建立在硬件抽象層HAL（Hardware Abstraction Layer）之上的，HAL為Nios軟件開發者提供了編程接口、底層的設備驅動、HAL API以及C標準庫等資源[4]。HAL系統庫為Nios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，大大簡化了應用程序的開發。同時，HAL系統庫還為應用程序與底層硬件驅動劃分了一條很清晰的分界線，從而大大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[5]。基于HAL的系統層次結構如圖6所示。

圖6 基于HAL的系統層次結構

SD卡設備屬于字符模型設備，其數據結構負責收集一系列用于響應HAL文件系統訪問操作的函數指針，函數實體由設備驅動定義。SD卡設備的數據結構如下：

其中，dev指向當前字符模式設備的alt_dev數據結構實例；fd_flags代表傳遞給open（）函數的操作選項參數；priv為當前HAL系統代碼并未使用該變量。llist代表設備的節點，具有previous和next兩個域，分別指向之前和之后注冊的設備，這樣系統中的所有已注冊設備就形成一個設備鏈，供HAL操作系統內部使用。name即system．h中定義的設備名，表示HAL文件系統的一個裝載點[6]。

其設備的數據結構定義為：

在NiosⅡ中，其SD卡的驅動函數具體定義為：

以下給出SPI寫數據的關鍵代碼：

4 結論

基于NiosⅡ軟核處理器的設備驅動設計方案具有良好的穩定性和設計靈活性，可以真正按照設計者的需要設計每個細節，使系統整體結構簡潔明朗，便于移植和進行二次開發工作。這里通過分析NiosⅡ處理器的總線架構、SD卡的接口協議，給出SD卡設備在NiosⅡ處理器的設計實例，具有通用的意義。

[1]王曉迪，張景秀.SOPC系統設計與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[2]EI Camino GmbH.SD/MMC SPI core with avalon interface[DB/OL].（2008）.http://www.elcamino.com.

[3]王黎明，陳雙嬌，閆曉玲，等.ARM9嵌入式系統開發與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[4]Altera Corporation.Overview of the hardware abstraction layer,NiosⅡsoftware developer's handbook[DB/OL].（2009）.http://www.altera.com.

[5]蔡偉剛.NiosⅡ軟件架構解析[M].西安：西安電子科技大學出版社，2007.

[6]Altera Corporation.Avalon interface specifications[DB/OL].（2009）.http://www.altera.com.