基于SoPC的SD卡控制器IP核的设计

2.3 命令控制模块
　命令控制模块SDCmd主要完成SD卡命令、参数、命令校验值的发送和命令回执的读取（如果是读写操作,则还要进行数据的发送和接收）。
　SDInterface模块使能SDCmd前会将SD命令、参数传递给SDCmd，这样SDCmd使能后,首先通过SPITrans模块将得到的命令、参数发送到SD卡,然后等待命令回执，如果当前命令是读、写之外的其他命令，则将执行结果返回给SDInterface模块即可;如果是读、写命令则收到正确的命令回执后，则还要将数据接收并存到缓存或发送到SD卡。

2.4 选择器和双口RAM
　选择器模块Mux主要用来根据当前操作从SDInit模块和SDCmd模块的输出信号中选择一路送至SPITrans模块。双口RAM是SD控制器的缓存，用来存储发送到SD卡和从SD卡上读取的数据。

2.5 串/并、并/串转换及时钟产生模块
　SPITrans模块主要负责串/并转换、并/串转换和SD卡时钟产生。当SPITrans模块使能后，它通过对输入时钟进行分频产生SD卡时钟，并在8个SD卡时钟周期内将选择器输出的8位并行数据转换为串行数据发送到SD卡，同时将SD卡DAT线上的串行数据转换为并行数据返回给SDInit模块和SDCmd模块。

3 基础读写设计
　SD卡控制器软件的编写在Altera公司的Quartus II中完成，使用SOPC Builder工具将具有Avalon总线接口的SD卡控制器封装成IP 核并集成到SOPC中，利用Nios II IDE编写软件驱动实现SD卡的基础读写(以扇区为单位进行读写）。写数据到SD卡扇区操作函数如下：
int sd_write(UINT8 *data, UINT32 addr)
{
int ret, i=0, j=0;
if(sd_type == 1) addr = addr 9;
/*判断地址偏移*/
for(i=0; i512; i++)
　 IOWR(SD_CARD_BASE, i, data[i]);
/*写数据*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 517, CMD24);
/*写入地址*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 518, addr);
/*开始运行*/
IOWR(SD_CARD_BASE, 519, 0);
/*读命令回执*/
ret = IORD(SD_CARD_BASE, 519);
…
}

4 文件系统移植
　读写操作均以扇区为单位，SD卡仅相当于一块容量较大的Flash，移植文件系统可方便地与PC机或其他电子产品数据交换以及后期分析处理。μC/FS是一种为其提供基本的硬件访问功能即可应用于任何存储介质的FAT文件系统，其使用标准ANSI C编写可应用于几乎任何CPU。μC/FS具有以下特点[4]：(1)支持DOS/Windows环境下的FAT12，FAT16 和FAT32。(2)支持多个存储器共同工作，可以同时访问多个存储器。(3)多操作系统支持，可以很方便地移植到几乎任何操作系统。(4)可以很容易地集成使用SPI模式的MMC/SD卡通用设备驱动等。基于以上的特点，μC/FS 非常适用于嵌入式系统。

4.1 μC/FS文件系统结构分析
　μC/FS 采取分层工作方式，每一层负责不同的功能，由高层的数据抽象到底层的硬件实体分工明确，其系统结构层次划分如图2所示。

4.2 文件系统实现
　在完成SD卡控制器及其软件驱动并实现SD卡基础读写的基础上，按照μC/FS文件系统的接口函数编写设备驱动程序并对系统参数做相应设置即可实现SD卡文件操作。μC/FS文件系统的接口函数主要通过一个结构体(FS__device_type)进行描述，该结构体包含了驱动设备的名称以及4个基本的驱动设备挂接函数的函数指针：
typedef struct {
FS_FARCHARPTR name;
int (*dev_status)(FS_u32 Unit);
int(*dev_read)(FS_u32 Unit, FS_u32 Sector, void *pBuffer);
int(*dev_write)(FS_u32 Unit,FS_u32 Sector,void *pBuffer);
int(*dev_ioctl)( FS_u32 Unit, FS_i32 Cmd, FS_i32 Aux,
void *pBuffer);
} FS__device_type;
其中,dev_status()函数主要实现FAT表状态信息的读取,并表明该SD设备可以使用；dev_read()函数实现对SD卡进行文件系统块数据的读取；dev_write()函数实现对SD卡进行文件系统块数据的写入；dev_ioctl()函数则主要实现文件操作的相关指令,包括文件格式化、数据cache回写等操作。

5 仿真与验证
　对SD卡控制器的仿真验证工作主要从时序仿真和软件驱动控制器读写SD卡进行文件操作验证两方面进行。

5.1 SD卡控制器的时序仿真
　在Quartus II中创建波形激励文件后,得到的时序仿真结果如图3所示。在仿真图中可以看出,控制器在初始化过程中，首先将CMD0（0x40）、参数(0x00000000)和命令校验位(0x95)通过SPITrans模块进行并/串转后发送到SD卡的CMD线进行复位,等收到SD卡DAT线上发送回来的回执(0x01)后,接着发送CMD1(0x41)、参数（0x00000000）和命令校验位(0xFF)到SD卡进行初始化。由此可见,SD卡控制器设计符合SD卡协议标准。

5.2文件操作验证
通过调用μC/FS 文件系统提供的API函数,如：FS_Fopen()打开文件、FS_FRead()读文件、FS_FWrite()写文件等编写测试程序如下:
void main(void)
{
char *device="sd:"
const char *WriteMsg="test sd card write\n";
FS_Init(); /*初始化文件系统*/
show_free(device); /*显示SD卡空间信息*/
write_file("test.txt",WriteMsg); /*写入文件test.txt*/
show_directory(device); /*显示根目录文件信息*/
dump_file("test.txt"); /*读test.txt文件内容*/
…
}
　选用4 GB容量的SDHC卡,在PC机上将其格式化为FAT文件系统并创建文件夹HELLO和文件WORD.DOC。SD卡在线运行调试结果如图4所示。由运行结果可知，初始化成功并识别此SD卡为SDHC (Secure Digital High Capacity)卡，卡容量为964 256(总簇数)×8（每簇扇区数）×512（每扇区字节数）≈3.7 GB。创建test.txt文件成功后读取根目录(有文件目录hello、文件word.doc和文件test.txt),读取文件test.txt内容为test sd card write与写入一致。运行结果表明文件操作正确可靠。