基于SoPC的SD卡控制器IP核的設(shè)計(jì)*

何 偉，余征華，張 玲，劉平凈

(重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院,重慶 400044)

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(xiě)。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(xiě)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(kāi)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(guò)軟件驅(qū)動(dòng)控制器以實(shí)現(xiàn)SD卡讀寫(xiě)及文件操作，使其系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、集成度高、讀寫(xiě)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32GB，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(wèn)存儲(chǔ)器，所有對(duì)SD卡的操作如讀/寫(xiě)、設(shè)置塊長(zhǎng)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。

表1 SD卡管腳及其意義

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(xiě)SD卡。控制器首先通過(guò)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(xiě)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(xiě)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。

圖1 SD控制器功能模塊劃分圖

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(xiě)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(xiě)數(shù)據(jù)時(shí),需要先通過(guò)SDInterface模塊將要寫(xiě)的數(shù)據(jù)緩存到雙口RAM中,然后將扇區(qū)地址和寫(xiě)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(xiě)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(xiě)數(shù)據(jù)過(guò)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(xiě)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)。

在創(chuàng)建國(guó)家森林城市期間，濟(jì)寧堅(jiān)持城鄉(xiāng)統(tǒng)籌上下聯(lián)動(dòng)、四級(jí)聯(lián)創(chuàng)一體推進(jìn)，山水林田湖草系統(tǒng)治理，實(shí)施城區(qū)森林網(wǎng)絡(luò)、環(huán)城森林、森林村鎮(zhèn)、山區(qū)森林生態(tài)屏障、濕地生態(tài)環(huán)境、森林健康體系、林業(yè)產(chǎn)業(yè)體系、森林文化旅游體系、森林管護(hù)能力、科技支撐體系等10項(xiàng)重點(diǎn)建設(shè)任務(wù)，以及“水韻圣城森林濟(jì)寧”大綠化行動(dòng)。今年10月成功創(chuàng)建為國(guó)家森林城市，鄒城市、曲阜市成功創(chuàng)建為縣級(jí)國(guó)家森林城市，市級(jí)以上森林公園16處，其中國(guó)家級(jí)3處，初步形成區(qū)域化森林城市群。

2.2 初始化模塊

對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫(xiě)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(guò)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)的讀取 （如果是讀寫(xiě)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(guò)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(xiě)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(xiě)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(lái)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(lái)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(guò)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(xiě)設(shè)計(jì)

4 文件系統(tǒng)移植

讀寫(xiě)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(wèn)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(xiě)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(wèn)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。

圖2 μC/FS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

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(xiě)的基礎(chǔ)上，按照μC/FS文件系統(tǒng)的接口函數(shù)編寫(xiě)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(guò)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：

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)的讀取；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(xiě)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(xiě)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(xiě)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(guò)程中，首先將 CMD0（0x40）、參數(shù)(0x00000000)和命令校驗(yàn)位(0x95)通過(guò)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(lái)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(jiàn),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(guò)調(diào)用μC/FS文件系統(tǒng)提供的API函數(shù),如：FS_Fopen()打開(kāi)文件 、FS_FRead()讀文件、FS_FWrite()寫(xiě)文件等編寫(xiě)測(cè)試程序如下:

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(xiě)入一致。運(yùn)行結(jié)果表明文件操作正確可靠。

通過(guò)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(guò)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(wú)線防盜監(jiān)控系統(tǒng)中。

[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.