采用NiosⅡ處理器的總線架構(gòu)的SD卡設(shè)計(jì)

SD存儲卡以其大容量和小尺寸的特點(diǎn)，成為市面上各種嵌入式消費(fèi)產(chǎn)品最常見的存儲媒介，探討SD卡設(shè)備的設(shè)計(jì)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。這里將結(jié)合NiosⅡ處理器的總線架構(gòu)，分析SD卡的接口協(xié)議和驅(qū)動程序設(shè)計(jì)方法，并給出SD卡設(shè)備在NiosⅡ處理器的設(shè)計(jì)實(shí)例。

　　1 NiOSⅡ處理器的Avalon總線架構(gòu)

　　Nios和NiosⅡ都使用了Avalon總線，這是一種交換式架構(gòu)的片內(nèi)總線。該總線形式和PCI、ISA等板間互連總線的最大區(qū)別在于：其主從設(shè)備之間有緊密耦合關(guān)系。Avalon總線架構(gòu)中，由硬件設(shè)計(jì)人員通過SOPC Builder規(guī)定互連的主從設(shè)備(包括數(shù)據(jù)、控制信號、片選、地址的互連)，不連接的設(shè)備之間是互相看不到的。每個(gè)Avalon主設(shè)備端有多路復(fù)用器，用來從多個(gè)從設(shè)備的數(shù)據(jù)總線中選擇當(dāng)前要訪問的數(shù)據(jù)。圖l為Avalon總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　Avalon接口用于提供描述主外設(shè)和從外設(shè)中基于地址讀／寫接口的基礎(chǔ)，例如，微控制器、存儲器、UART及定時(shí)器等。接口規(guī)范定義了外設(shè)和Avalon開關(guān)互聯(lián)結(jié)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)傳輸。在沒有主或從接口限制的情況下，規(guī)范的互聯(lián)策略允許任何主外設(shè)連接到任何從外設(shè)；Avalon接口描述了一個(gè)可配置的互聯(lián)策略，允許外設(shè)的設(shè)計(jì)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(tài)傳輸。這里僅分析SD卡設(shè)備所使用的從端口傳輸方式。

　　1．1 從設(shè)備信號

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

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

　　1．2 從端口讀／寫傳輸

　　從端口讀傳輸是主設(shè)備通過SD卡控制器對SD卡進(jìn)行讀取的操作，即讀取SD卡的數(shù)據(jù)；從端口寫傳輸是主設(shè)備通過SD卡控制器對SD卡進(jìn)行寫操作，即對SD卡寫入數(shù)據(jù)。圖2為從端口讀／寫信號時(shí)序。

　　從端口讀傳輸時(shí)，在時(shí)鐘上升沿開始傳輸數(shù)據(jù)，并在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿完成傳輸。在clk的第1個(gè)上升沿，systeminterconnect 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(nèi)部將address譯碼，產(chǎn)生并驅(qū)動從端口的chipselect信號。chipselect信號一旦有效，則從端口立即驅(qū)動readdata。system interconnect fabric則在下一個(gè)clk上升沿捕獲readdata。

　　從端口寫傳輸是由system interconnect fabric發(fā)起的。它向從端口傳輸1個(gè)單元的數(shù)據(jù)，且在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。system intercon-nect fabric配合write、begintransfer信號提供address，writedata，byteenable和write。system interconnectfabric不對address進(jìn)行譯碼，驅(qū)動chipselect，并使其有效。從端口在下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿捕獲地址、數(shù)據(jù)和控制信號，并完成寫傳輸。

　　從端口的讀寫時(shí)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(shè)的形式與處理器相連接的。其關(guān)系如圖3所示。

　　2 SD卡的接口協(xié)議分析

　　SD卡即可靠數(shù)字存儲卡(Seeure Digital Memory Card)，是為滿足消費(fèi)電子類產(chǎn)品對安全、容量、性能等有特殊要求的環(huán)境而設(shè)計(jì)的。 SD卡定義了SD和SPI這2種可選擇的總線協(xié)議。這里研究的是SPI協(xié)議下的SD卡設(shè)備開發(fā)。SPI是面向字節(jié)的傳輸，SPI的命令和數(shù)據(jù)塊都是以8個(gè)比特為單位進(jìn)行分組的。SPI的信息分為控制幀、反饋幀和數(shù)據(jù)幀，所有的SPI信息都是建立在命令、應(yīng)答和數(shù)據(jù)端口標(biāo)記上的。所有主機(jī)和卡之間的通信都由主機(jī)控制，主機(jī)通過拉低CS信號開始一個(gè)總線事務(wù)。

　　SPI模式下，SD卡可支持單個(gè)塊和多個(gè)塊的讀／寫操作，在接收到一個(gè)合法的讀取命令后，這個(gè)SD卡可將用一個(gè)應(yīng)答標(biāo)志來應(yīng)答響應(yīng)，隨后的就是一個(gè)數(shù)據(jù)塊。在接收到一個(gè)合法的寫指令時(shí)，SD卡將響應(yīng)一個(gè)應(yīng)答標(biāo)記，并等待主控制器發(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù)塊。圖4為單個(gè)塊數(shù)據(jù)的讀取操作，圖5為單個(gè)塊數(shù)據(jù)的寫入操作。

3 SD卡驅(qū)動設(shè)計(jì)

　　NiosⅡ軟件架構(gòu)是建立在硬件抽象層HAL(Hardware AbstracTIon Layer)之上的，HAL為Nios軟件開發(fā)者提供了編程接口、底層的設(shè)備驅(qū)動、HAL API以及C標(biāo)準(zhǔn)庫等資源。

　　HAL系統(tǒng)庫為Nios軟件設(shè)計(jì)人員提供了應(yīng)用程序與底層硬件交互的設(shè)備驅(qū)動接口，大大簡化了應(yīng)用程序的開發(fā)。同時(shí)，HAL系統(tǒng)庫還為應(yīng)用程序與底層硬件驅(qū)動劃分了一條很清晰的分界線，從而大大提高了應(yīng)用程序的復(fù)用性，使得應(yīng)用程序不受底層硬件變化的影響。基于HAL的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖6所示。