基于Avalon總線的SD卡讀寫(xiě)控制器的設(shè)計(jì)

0 引言
當(dāng)前，人們對(duì)大數(shù)據(jù)量的高速存取需求越來(lái)越高。SD卡作為新一代數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備，具有大容量，高速度的特點(diǎn)，很好地滿足了市場(chǎng)的具體需求，被廣泛用于便攜式消費(fèi)類電子設(shè)備，例如手機(jī)，數(shù)碼相機(jī)、PDA和各種多媒體播放器等。在工業(yè)控制領(lǐng)域，同樣有大量數(shù)據(jù)需要采集，存儲(chǔ)，分析。而傳統(tǒng)用MCU的GPIO模擬SD卡的時(shí)序?qū)崿F(xiàn)讀／寫(xiě)調(diào)試復(fù)雜、讀／寫(xiě)速度慢，已經(jīng)不能符合大多數(shù)應(yīng)用的需求。利用FPGA自身高速并行的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)一種SD卡讀寫(xiě)控制器的IP核，不但可以提高性能，而且可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)IP復(fù)用，大大提高開(kāi)發(fā)效率，降低成本，具有極大的應(yīng)用前景。
可編程的片上系統(tǒng)(System on Programmable Chip，SoPC)最先由Altera公司提出，它將盡可能大而完整的電子系統(tǒng)，主要包括NiosⅡ嵌入式處理器、各種硬件接口、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)、普通數(shù)字電路邏輯在單一FPGA芯片中實(shí)現(xiàn)。SoPC系統(tǒng)中的各個(gè)外設(shè)通過(guò)Avalon總線相連，可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)IP復(fù)用，因此，系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)周期、體積、功耗、功能、產(chǎn)品升級(jí)維護(hù)等多方面實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，逐漸成為電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。

1 Avalon總線簡(jiǎn)介
Avalon總線是Altera公司專門為SoPC系統(tǒng)指定的一套總線標(biāo)準(zhǔn)，它定義了主從端口對(duì)之間通信的信號(hào)類型和時(shí)序關(guān)系。在結(jié)構(gòu)上不同于傳統(tǒng)的共享式總線：它在需要連接的每一個(gè)主從端口對(duì)之間都有點(diǎn)到點(diǎn)的連接，不同的主從端口對(duì)之間可以同時(shí)進(jìn)行通信，所以大大提高了系統(tǒng)的性能。Altera一直在致力于為Avalon總線添加一些極其有用高級(jí)特性，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的同時(shí)提高系統(tǒng)的性能。Avalon總線標(biāo)準(zhǔn)也在不斷的升級(jí)完善，現(xiàn)在已經(jīng)包含Avalon-MM接口規(guī)范和Aval-on-ST接口規(guī)范。
在Avalon總線接口的設(shè)計(jì)中，SoPC Builder提供了直觀的圖形用戶界面，設(shè)計(jì)人員可以很方便地添加自定義外設(shè)，SoPC Builder將自定義外設(shè)和其他組件組合起來(lái)，生成對(duì)這些組件進(jìn)行例化的單個(gè)系統(tǒng)模塊，并且自動(dòng)生成內(nèi)部總線邏輯，按照設(shè)計(jì)人員的要求將這些外設(shè)與NiosⅡ處理器連接起來(lái)，并自動(dòng)完成外設(shè)和存儲(chǔ)器的地址映射、中斷控制和總線控制等工作。本文主要闡述了SD卡讀／寫(xiě)控制器的AvaIon-MM總線接口和SD卡讀／寫(xiě)控制邏輯的設(shè)計(jì)，以圾NiosⅡIDE中讀／寫(xiě)控制程序的編寫(xiě)。

2 SD卡的一般讀／寫(xiě)過(guò)程
SD卡有兩種讀／寫(xiě)訪問(wèn)模式：SD模式和SPI模式，其中SD模式又分為1 b和4 b兩種。由于DE2開(kāi)發(fā)平臺(tái)硬件上的原因，該設(shè)計(jì)采用的是1 b的SD模式實(shí)現(xiàn)SD卡的讀／寫(xiě)。SD卡在上電初期，卡主控通過(guò)檢測(cè)引腳1(DAT3)的電平來(lái)決定使用SD模式還是SPI模式。
SD總線上命令和數(shù)據(jù)的傳輸從一個(gè)起始位開(kāi)始，以停止位終止。每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一個(gè)命令或數(shù)據(jù)位。控制器通過(guò)CMD信號(hào)線發(fā)送命令到SD卡，用于對(duì)SD卡進(jìn)行相應(yīng)的操作，SD卡接收到命令后，會(huì)發(fā)送相對(duì)應(yīng)的響應(yīng)給控制器，這些響應(yīng)中包含了SD卡的一些基本信息和狀態(tài)信息等。SD卡初始化完成后，進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸階段，則可以進(jìn)行讀／寫(xiě)操作。為了避免命令，數(shù)據(jù)和響應(yīng)傳輸?shù)腻e(cuò)誤，SD規(guī)范中采用了CRC技術(shù)，在傳輸命令和響應(yīng)時(shí)，需要進(jìn)行CRC7效驗(yàn)，而在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，則需要進(jìn)行CRC16效驗(yàn)。該控制器主要采用SD的CLK，CMD，DAT0三根信號(hào)線完成SD卡的讀／寫(xiě)。

3 SD卡讀寫(xiě)控制器總體工作過(guò)程
該控制器采用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)，在SD卡就緒后，NiosⅡ處理器先向Avalon-MM Slave端口設(shè)置相關(guān)寄存器。狀態(tài)控制邏輯根據(jù)寄存器中的相關(guān)位發(fā)送命令到讀／寫(xiě)控制邏輯，再由讀／寫(xiě)控制邏輯發(fā)送相應(yīng)的命令到SD卡。命令在時(shí)鐘信號(hào)CLK的上升沿經(jīng)過(guò)CRC7校驗(yàn)后通過(guò)CMD信號(hào)線串行寫(xiě)入SD卡。SD規(guī)范中定義了很多命令，但這里僅用到了常用的10個(gè)命令就實(shí)現(xiàn)了讀／寫(xiě)控制的功能，命令都要按一定格式順序發(fā)送到SD卡，命令編號(hào)占6 b，每個(gè)命令必須填充開(kāi)始標(biāo)志，命令的參數(shù)以及CRC7校驗(yàn)數(shù)據(jù)以及結(jié)束標(biāo)志，發(fā)送1個(gè)完整的命令需要寫(xiě)入48b。
SD卡在接收到命令后，會(huì)根據(jù)寫(xiě)入的命令執(zhí)行相應(yīng)的操作，并發(fā)送相應(yīng)的Response給控制器，其中Re-sponse也分為幾種，包含長(zhǎng)響應(yīng)和短響應(yīng)，Response中的數(shù)據(jù)包含了卡的一些基本信息以及命令的執(zhí)行情況等?？刂破鞲鶕?jù)返回的狀態(tài)的信息決定下一步操作，即發(fā)送下一個(gè)命令。控制器內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

控制器上電后自動(dòng)進(jìn)行初始化，將SD卡的狀態(tài)保存到狀態(tài)寄存器中，在進(jìn)行讀／寫(xiě)前，應(yīng)先讀取SD卡的狀態(tài)信息，在SD卡進(jìn)入了讀／寫(xiě)就緒狀態(tài)后，即可向Avalon-MM Slave端口寫(xiě)入讀／寫(xiě)控制命令，具體包括要讀／寫(xiě)的扇區(qū)號(hào)，讀出數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)的存放地址?？刂破髟谑盏介_(kāi)始讀／寫(xiě)命令后，開(kāi)始讀／寫(xiě)指定的扇區(qū)，控制器一次性讀／寫(xiě)512 B，產(chǎn)生一個(gè)讀／寫(xiě)完成的中斷，即可以開(kāi)始讀／寫(xiě)下一個(gè)扇區(qū)。進(jìn)行讀操作時(shí)，控制器將從SD卡讀出的數(shù)據(jù)通過(guò)AvaIon-MM Master端口寫(xiě)入所指定的地址處。進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)，控制器通過(guò)Avalon-MM Master端口將指定內(nèi)存地址處的數(shù)據(jù)寫(xiě)入SD卡?？刂破髡麄€(gè)讀／寫(xiě)過(guò)程無(wú)需CPU干預(yù)，由Master端口主動(dòng)完成，CPU僅需寫(xiě)入相關(guān)控制命令，大大提高了CPU的利用率。