基于NiosⅡ处理器的总线架构的SD卡设计
1 NiOSⅡ处理器的Avalon总线架构
Nios和NiosⅡ都使用了Avalon总线,这是一种交换式架构的片内总线。该总线形式和PCI、ISA等板间互连总线的最大区别在于:其主从设备之间有紧密耦合关系。Avalon总线架构中,由硬件设计人员通过SOPC Builder规定互连的主从设备(包括数据、控制信号、片选、地址的互连),不连接的设备之间是互相看不到的。每个Avalon主设备端有多路复用器,用来从多个从设备的数据总线中选择当前要访问的数据。图l为Avalon总线系统结构。
Avalon接口用于提供描述主外设和从外设中基于地址读/写接口的基础,例如,微控制器、存储器、UART及定时器等。接口规范定义了外设和Avalon开关互联结构之间的数据传输。在没有主或从接口限制的情况下,规范的互联策略允许任何主外设连接到任何从外设;Avalon接口描述了一个可配置的互联策略,允许外设的设计者限制某种特定传输所需的信号类型。
Avalon定义了5种传输方式:从端口传输、主端口传输、流水线读传输、流传输控制和三态传输。这里仅分析SD卡设备所使用的从端口传输方式。
1.1 从设备信号
从设备信号是与主设备相连接的一组信号端口,这里所针对的SD卡设备的Avalon从端口需定义的信号端口如表1所列。
表l所列出的从设备信号只是这里所针对的SD卡设备所需要的信号,并不是从设备所支持的所有信号。对于其他从设备可根据其自身特点及需要来选择相应的信号接口。
1.2 从端口读/写传输
从端口读传输是主设备通过SD卡控制器对SD卡进行读取的操作,即读取SD卡的数据;从端口写传输是主设备通过SD卡控制器对SD卡进行写操作,即对SD卡写入数据。图2为从端口读/写信号时序。
从端口读传输时,在时钟上升沿开始传输数据,并在下一个时钟上升沿完成传输。在clk的第1个上升沿,systeminterconnect fabric配合read、begintransfer信号将有效的address,byteenable和read信号传输给从端口,且system interconnect fabric在内部将address译码,产生并驱动从端口的chipselect信号。chipselect信号一旦有效,则从端口立即驱动readdata。system interconnect fabric则在下一个clk上升沿捕获readdata。
从端口写传输是由system interconnect fabric发起的。它向从端口传输1个单元的数据,且在1个时钟周期内完成。system intercon-nect fabric配合write、begintransfer信号提供address,writedata,byteenable和write。system interconnectfabric不对address进行译码,驱动chipselect,并使其有效。从端口在下一个时钟的上升沿捕获地址、数据和控制信号,并完成写传输。
从端口的读写时序是通过SD卡控制器完成的,而SD卡的控制器是以NiosⅡ软核处理器外设的形式与处理器相连接的。其关系如图3所示。
2 SD卡的接口协议分析
SD卡即可靠数字存储卡(Seeure Digital Memory Card),是为满足消费电子类产品对安全、容量、性能等有特殊要求的环境而设计的。 SD卡定义了SD和SPI这2种可选择的总线协议。这里研究的是SPI协议下的SD卡设备开发。SPI是面向字节的传输,SPI的命令和数据块都是以8个比特为单位进行分组的。SPI的信息分为控制帧、反馈帧和数据帧,所有的SPI信息都是建立在命令、应答和数据端口标记上的。所有主机和卡之间的通信都由主机控制,主机通过拉低CS信号开始一个总线事务。
SPI模式下,SD卡可支持单个块和多个块的读/写操作,在接收到一个合法的读取命令后,这个SD卡可将用一个应答标志来应答响应,随后的就是一个数据块。在接收到一个合法的写指令时,SD卡将响应一个应答标记,并等待主控制器发送这个数据块。图4为单个块数据的读取操作,图5为单个块数据的写入操作。
3 SD卡驱动设计
NiosⅡ软件架构是建立在硬件抽象层HAL(Hardware AbstracTIon Layer)之上的,HAL为Nios软件开发者提供了编程接口、底层的设备驱动、HAL API以及C标准库等资源。
HAL系统库为Nios软件设计人员提供了应用程序与底层硬件交互的设备驱动接口,大大简化了应用程序的开发。同时,HAL系统库还为应用程序与底层硬件驱动划分了一条很清晰的分界线,从而大大提高了应用程序的复用性,使得应用程序不受底层硬件变化的影响。基于HAL的系统层次结构如图6所示。
SD卡设备属于字符模型设备,其数据结构负责收集一系
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