基于SoPC和NIOS Ⅱ的SD卡文件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2驅(qū)動程序的設(shè)計

SD卡處于SPI模式的驅(qū)動主要包含有：(1)SPI底層的操作，SPI的命令和數(shù)據(jù)塊都是以8個比特為單位進(jìn)行分組和發(fā)送的。

(2)關(guān)于CMD的操作，主要有SD卡的初始化以及SD卡的讀寫，先發(fā)送命令然后再發(fā)送CRC校驗。

(3)CRC校驗使用NIOSⅡ來解決這個問題：NIOSⅡ軟件架構(gòu)建立在硬件抽象層HAL(Hardware AbstractionLayer)之上，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、HALAPI、和C標(biāo)準(zhǔn)庫等資源[6]，表1為系統(tǒng)整體的架構(gòu)示意。

HAL的系統(tǒng)庫為NIOSⅡ軟件設(shè)計人員提供了應(yīng)用程序與底層硬件交互的設(shè)備驅(qū)動接口，簡化了應(yīng)用程序的開發(fā)。HAL系統(tǒng)庫也為應(yīng)用程序與底層硬件驅(qū)動劃分了一條清晰的分界線，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。

SD卡的上電初始化過程可以分成以下5個步驟：(1)適當(dāng)延時等待SD就緒;(2)發(fā)送74+個spi_clk，且保持spi_cs_n=1spi_mosi=1;(3)發(fā)送CMD0命令并等待響應(yīng)R1=8'H01，將卡復(fù)位到IDLE;(4)發(fā)送CMD1命令并等待響應(yīng)R1=8'H00，激活卡的初始化進(jìn)程;(5)發(fā)送CMD16命令并等待響應(yīng)R1=8'H00，設(shè)置一次讀寫B(tài)LOCK的長度。

SD卡的數(shù)據(jù)讀取操作也大致可以分為以下步驟：(1)發(fā)送命令CMD17;(2)接受讀數(shù)據(jù)起始令牌0xFE;(3)讀取512B數(shù)據(jù)以及2B的CRC.借助于NIOSⅡ可以軟件編寫最底層的SPI操作函數(shù)來實現(xiàn)上述復(fù)雜的步驟：

externINT8USPI_Sendbyte(INT8Udata)

externINT8USPI_Recibyte(void)

上面分別是SPI發(fā)送1B以及接收1B，這2個函數(shù)的使用需要調(diào)用SoPC中的SPI核中的庫函數(shù)，然后是SD卡的初始化和讀寫函數(shù)：初始化：externintSD_Reset(void);讀一扇區(qū)：externintSD_ReadBlock(INT32U blockaddr，INT8U*recibuf);寫一扇區(qū)：externintSD_WriteBlock(INT32U blockaddr，INT8U*sendbuf);通過這些代碼，可以一步步的向SD卡發(fā)送CMD指令，使其復(fù)位，激活成SPI模式，并設(shè)置塊大小為512B.

3 文件系統(tǒng)的設(shè)計

若讀寫操作都是以扇區(qū)為單位，SD卡僅相當(dāng)于FLASH.為了管理SD卡中的數(shù)據(jù)，并方便在Windows系統(tǒng)中訪問SD卡中的數(shù)據(jù)，就必須將SD卡中的數(shù)據(jù)有效組織起來，以文件的形式進(jìn)行存儲和訪問，可以給SD卡創(chuàng)建一個文件系統(tǒng)，常見的是微軟公司推出的FAT16和進(jìn)化版FAT32. FAT存儲原理[7-8]：FAT16由6部分組成，首先是引導(dǎo)扇區(qū)(DBR)，引導(dǎo)扇區(qū)(DBR)即操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)，通常占用分區(qū)的第0扇區(qū)共512B.在512B中，又由跳轉(zhuǎn)指令、廠商標(biāo)志、操作系統(tǒng)版本號、BPB、擴展BPB、OS引導(dǎo)程序、結(jié)束標(biāo)志幾部分組成。如圖3所示[9]，根文件夾緊跟著的是FAT表(FAT1，F(xiàn)AT2，F(xiàn)AT2是FAT1的備份)，F(xiàn)AT表是FAT16文件系統(tǒng)用來記錄磁盤數(shù)據(jù)簇鏈結(jié)構(gòu)的，F(xiàn)AT中磁盤空間按照一定數(shù)目的扇區(qū)為最單位進(jìn)行劃分，這種單位稱為簇，一般每扇區(qū)分為512B，而簇的大小是2n(n為整數(shù))個扇區(qū)，所以簇的大小一般是512B，1KB，2KB，4KB等，一般不超過32KB.以簇為單位的原因是扇區(qū)太小，如果用扇區(qū)的話對大文件的存取會消耗很多資源，增加FAT表的項數(shù)，這樣文件系統(tǒng)的效率就非常低。

引導(dǎo)扇區(qū)根文件夾FAT1FAT2其他文件系統(tǒng)本質(zhì)上就是把上層對文件的操作轉(zhuǎn)換為底層對數(shù)據(jù)簇的操作(例如初始化，讀扇區(qū)，寫扇區(qū)等)。

圖3FAT結(jié)構(gòu)

本文中最底層的2個函數(shù)如下：FAT_ReadSector，F(xiàn)AT_WriteSector文件系統(tǒng)目錄的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：typedefstruct{charName[8];charExtension[3];charAttribute;charreserved[2];unsignedshortCreateTime;unsignedshortCreateDate;unsignedshortLastAccessDate;unsignedshortLastWriteTime;unsignedshortLastWriteDate;unsignedshortFirstLogicalCluster;unsignedintFileSize;｝FAT_DIRECTORY;對底層函數(shù)進(jìn)行調(diào)用的應(yīng)用層函數(shù)有：FAT_Init(初始化函數(shù))

FAT_GetSize(獲取磁盤大小)

FAT_Open_File(打開文件)

FAT_Read_File(讀文件)

FAT_Create_Dir(新建文件夾)

FAT_Create_File(新建文件)

FAT_Dele_File(刪除文件)

有了這些底層函數(shù)和API函數(shù)后，要對SD卡進(jìn)行操作只需要在NIOS的頂層main.C文件里面調(diào)用這些函數(shù)。用軟件的方法完成順序執(zhí)行的操作，而這正是硬件執(zhí)行的軟肋。下面列出main函數(shù)核心的代碼：while(1){printf(.。。。。。rn);hfat=fat_mount(SD_CARD，0);if(hFat){printf(SD卡加載成功!n);printf(讀取根目錄：n);fat_test(hfat，test.txt);fat_Unmount(hFat);printf(測試完成。重試請按KEY鍵rn);｝else{printf(無法加載SD卡，請仔細(xì)檢查是否插入并按KEY鍵重試rn);｝while((IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(KEY_BASE)0x08)==0x08);usleep(300*1000);｝測試：在一張SD卡里存放了一個test.txt文件，插到開發(fā)板的SD卡槽里。最后的圖4是NIOS控制臺最終的運行結(jié)果，程序正確的顯示出了卡里面的文件夾和文件，以及test.txt里面的文件內(nèi)容，驗證了本系統(tǒng)可以正確運行。

圖4NIOSⅡ運行結(jié)果

4結(jié)語

本設(shè)計基于SoPC以NIOSⅡ軟核處理器為控制核心，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的FAT32文件系統(tǒng)規(guī)范，完成了對SD卡的基礎(chǔ)操作。該設(shè)計雖比硬件讀取占用稍稍多點的資源，但是方便了開發(fā)者對嵌入式設(shè)備外設(shè)的操作和移植，有非常實際的可操作性和應(yīng)用。