基于Avalon總線的SD卡讀寫控制器的設(shè)計

0 引言
當前，人們對大數(shù)據(jù)量的高速存取需求越來越高。SD卡作為新一代數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，具有大容量，高速度的特點，很好地滿足了市場的具體需求，被廣泛用于便攜式消費類電子設(shè)備，例如手機，數(shù)碼相機、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，分析。而傳統(tǒng)用MCU的GPIO模擬SD卡的時序?qū)崿F(xiàn)讀／寫調(diào)試復(fù)雜、讀／寫速度慢，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，開發(fā)一種SD卡讀寫控制器的IP核，不但可以提高性能，而且可以簡單實現(xiàn)IP復(fù)用，大大提高開發(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)字信號處理系統(tǒng)、普通數(shù)字電路邏輯在單一FPGA芯片中實現(xiàn)。SoPC系統(tǒng)中的各個外設(shè)通過Avalon總線相連，可簡單實現(xiàn)IP復(fù)用，因此，系統(tǒng)在開發(fā)周期、體積、功耗、功能、產(chǎn)品升級維護等多方面實現(xiàn)最優(yōu)化，逐漸成為電子產(chǎn)品設(shè)計的趨勢。

1 Avalon總線簡介
Avalon總線是Altera公司專門為SoPC系統(tǒng)指定的一套總線標準，它定義了主從端口對之間通信的信號類型和時序關(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主從端口對之間都有點到點的連接，不同的主從端口對之間可以同時進行通信，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特性，簡化系統(tǒng)設(shè)計的同時提高系統(tǒng)的性能。Avalon總線標準也在不斷的升級完善，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)計中，SoPC Builder提供了直觀的圖形用戶界面，設(shè)計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，生成對這些組件進行例化的單個系統(tǒng)模塊，并且自動生成內(nèi)部總線邏輯，按照設(shè)計人員的要求將這些外設(shè)與NiosⅡ處理器連接起來，并自動完成外設(shè)和存儲器的地址映射、中斷控制和總線控制等工作。本文主要闡述了SD卡讀／寫控制器的AvaIon-MM總線接口和SD卡讀／寫控制邏輯的設(shè)計，以圾NiosⅡIDE中讀／寫控制程序的編寫。

2 SD卡的一般讀／寫過程
SD卡有兩種讀／寫訪問模式：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開發(fā)平臺硬件上的原因，該設(shè)計采用的是1 b的SD模式實現(xiàn)SD卡的讀／寫。SD卡在上電初期，卡主控通過檢測引腳1(DAT3)的電平來決定使用SD模式還是SPI模式。
SD總線上命令和數(shù)據(jù)的傳輸從一個起始位開始，以停止位終止。每個時鐘周期傳輸一個命令或數(shù)據(jù)位。控制器通過CMD信號線發(fā)送命令到SD卡，用于對SD卡進行相應(yīng)的操作，SD卡接收到命令后，會發(fā)送相對應(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，進入數(shù)據(jù)傳輸階段，則可以進行讀／寫操作。為了避免命令，數(shù)據(jù)和響應(yīng)傳輸?shù)腻e誤，SD規(guī)范中采用了CRC技術(shù)，在傳輸命令和響應(yīng)時，需要進行CRC7效驗，而在傳輸數(shù)據(jù)時，則需要進行CRC16效驗。該控制器主要采用SD的CLK，CMD，DAT0三根信號線完成SD卡的讀／寫。

3 SD卡讀寫控制器總體工作過程
該控制器采用Verilog HDL語言編寫，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／寫控制邏輯，再由讀／寫控制邏輯發(fā)送相應(yīng)的命令到SD卡。命令在時鐘信號CLK的上升沿經(jīng)過CRC7校驗后通過CMD信號線串行寫入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個命令就實現(xiàn)了讀／寫控制的功能，命令都要按一定格式順序發(fā)送到SD卡，命令編號占6 b，每個命令必須填充開始標志，命令的參數(shù)以及CRC7校驗數(shù)據(jù)以及結(jié)束標志，發(fā)送1個完整的命令需要寫入48b。
SD卡在接收到命令后，會根據(jù)寫入的命令執(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。控制器根據(jù)返回的狀態(tài)的信息決定下一步操作，即發(fā)送下一個命令?？刂破鲀?nèi)部總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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