FPGA和Nios II軟核的SD卡文件系統實現方法

在實例中使用了Nios II模塊、時鐘模塊、定時器、SDRAM模塊、EPCS模塊、UART模塊和SPI共計7個模塊。
SOPC系統構建完成后，模塊之間信號傳遞的時序并未確定。接下來的時序設計是SOPC能否正常運行的關鍵。在片上系統生成后，首先要對系統進行時序分析，以便使系統的時序符合設計邏輯的要求，并保證系統的正常工作，必要時要對系統的時序進行適當的約束。這一工作
可利用Quartus II軟件中內嵌的TimeQuest完成，也可以使用第三方提供的時序分析軟件，如PrimeTime軟件等來實現。
本文采用Altera公司提供的TimeQuest來進行時序約束。經過時序約束后，對工程再編譯，可產生時序報告。通過分析時序約束報告，可對約束適當修改，這個過程可反復進行，直到滿足時序要求為止。

2 SD卡接口協議分析與驅動程序設計
2．1 SD卡通信接口協議分析
SD卡一般定義了SD和SPI兩種可選的總線操作方式，本文采用SPI方式與SD卡接口，可以直接利用Quartus II中提供的SPI控制器IP核。S PI協議是面向位傳輸的同步串行通信協議。在SPI模式下，SD卡可以支持單塊與多塊的讀寫操作。
SOPC上的SPI控制器與SD卡之間的讀寫操作過程應符合SD卡的通信協議，其讀寫交互過程如圖4所示。

從圖4中可以看出，任何操作都是由SPI控制器的SD寫命令開始，SD卡在接收到一個合法命令后，將給予應答來響應，接下來便是數據塊的讀或寫操作。
2．2 SD卡驅動層程序的編寫
Nios II EDS是Altera公司為其Nios II處理器開發(fā)的一款C／C++語言編程軟件，其軟件架構是基于HAL(Hardware Abstraction Layer)之上的，Nios II EDS為Nios開發(fā)者提供了編程接口、底層設備驅動、HAL API，以及C標準庫等資源。更重要的是，HAL系統庫為Nios II軟件設計人員提供了應用程序與底層硬件交互的設備驅動接口，從而大大簡化了應用程序的開發(fā)。此外，HAL系統庫還為應用程序與底層硬件驅動之間劃分了一條清晰的界線，從而大大提高了應用程序的可復用性，使得應用程序不受底層硬件變化的影響。
片上系統的SPI控制器硬件邏輯，是由SOPC Builder工具將一個SPI主控器軟核封裝到系統中的，此SPI控制器與Nios II軟核以Avalon總線相連接。SD卡的設備驅動層分為4層，包括硬件抽象層、命令層、CRC校驗層與操作函接口層，其結構框圖如圖5所示。

硬件抽象層主要實現Nios II處理器對SPI控制器相應的功能寄存器的操作。
命令層定義了對SD卡各種操作的交互方法，包括命令碼與應答碼的定義。
CRC校驗層主要完成校驗工作，對于命令與數據采取不同的校驗方式。命令用CRC7校驗，數據用CRC16校驗。
操作函數接口層的作用是向znFAT32文件系統提供SD卡的所有操作，這其中包括了SD卡的初始化、扇區(qū)讀寫等函數接口(這是文件系統對SD卡進行文件操作所必需的)，以供znFAT32文件系統調用。這里利用Nios IIEDS集成開發(fā)環(huán)境編寫的驅動實現SD對卡的塊讀寫(以扇區(qū)為基本單位進行讀寫操作)，為SD卡掛載文件系統提供API函數。
每個層的接口函數如下：