基于SoPC和NIOS Ⅱ的SD卡文件系统的设计与实现

SD卡中的数据是以块为单位进行存储的，如果在硬件层面对其进行操作，则不仅要非常了解SD卡的数据存储结构，还要对FAT系统有深刻的理解，然后用复杂的时序状态机对其扇区进行初始化和读取控制，对硬件直接进行操作可以节省FPGA资源。为了更有效地组织和管理SD卡中的数据，必须采用文件的格式进行组织数据，这就要求在SD卡中内嵌文件系统［1］。而随着FPGA的高速发展，以AlteraNIOSⅡ和Xilinx的MicroBlaze为代表的软核处理器以其高可定制性、与ARM相比相同价格下的高性能得到广泛的应用。
本文正是利用其丰富的外设和接口定制构建SD卡的FAT文件系统。
1 接口和控制器的设计
1.1 接口的配置

SD卡有SD模式和SPI模式2种，SPI是一种高速、同步、全双工的通信总线，只占用4根信号线，节约芯片的管脚，有利于PCB的布局。前者速度较快，后者比较方便我们采用后者SPI与FPGA进行通信，它由4个信号组成，分别是CS（片选信号）、MOSI（主机到SD卡）、MISO（SD卡到主机）、SCLK（主机和SD卡的同步时钟），以主从方式工作，本文中SPI为主机，SD卡是从机，处于单主单从模式。在由NIOSⅡ软核处理器控制的Avalon总线［2－3］下可以方便地与SD卡进行对接。Avalon总线是一种将片上处理器和外设连接成片上可编程（SoPC）的一种简单总线结构，它规定了主从设备之间的结构方式及其通信方式，通过使用SoPC Builder可以很方便地将自定义外设和其他组件组合起来，生成按照组件例化的系统模块，并自动生成内部总线逻辑，自动完成外设和存储器的地址映射、中断控制和总线控制。图1所示为设备之间的连接示意图，NIOSⅡ处理器和外设SD卡控制器的通过Avalon总线结构进行数据交换和沟通，SD卡控制器控制着外部SD卡存储介质。
1.2 控制器的设计
SD卡控制器［4］是FPGA和SD卡之间进行通信的翻译官，主要实现3大功能：（1）复位和初始化SD卡。控制器按照SD卡总线协议产生控制时序对其进行复位和初始化。
（2）读写SD卡。控制器通过CMD线发送读或者写的命令以及SD卡扇区地址，确认收到正确的响应后，通过DAT线进行读和写操作（分别涉及串并转换和并串转换），一次传输一个扇区的数据（512B），传输完毕后将就绪信号置为有效。
（3）设置SD卡。通过CMD线发送命令和参数，不发送或接受数据。