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" title="SD">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(lèi)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)" title="讀寫(xiě)">讀寫(xiě)控制器" title="控制器">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" title="Avalon">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)" title="設(shè)計(jì)">設(shè)計(jì)的趨勢(shì)。

1 Avalon總線簡(jiǎn)介
    Avalon總線是Altera公司專(zhuān)門(mén)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(lèi)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,?？刂破魍ㄟ^(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?？刂破鲀?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。

4 Avalon-MM接口設(shè)計(jì)
    為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在Avalon總線上的傳輸,，必須實(shí)現(xiàn)Avalon總線相關(guān)信號(hào)和時(shí)序邏輯,，主要包括數(shù)據(jù)、地址,、讀／寫(xiě)控制,、中斷、時(shí)鐘復(fù)位等信號(hào),。
    Avalon-MM Master端口主要用來(lái)將讀／寫(xiě)控制邏輯部分讀到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入內(nèi)存,，或者將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)寫(xiě)入讀／寫(xiě)控制邏輯，其接口信號(hào)如表1所示,。

    Avalon-MM SIave端口主要用來(lái)接收相關(guān)控制命令,，即通過(guò)這個(gè)端口實(shí)現(xiàn)控制器內(nèi)部寄存器的訪問(wèn)，其接口信號(hào)如表2所示,。

    該控制器內(nèi)部有6個(gè)寄存器,，也可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)更多，通過(guò)軟件設(shè)置相關(guān)寄存器即可進(jìn)行讀／寫(xiě)SD卡的操作,，寄存器功能描述如表3所示,。

5 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    為了驗(yàn)證SD卡讀寫(xiě)控制器，在DE2開(kāi)發(fā)平臺(tái)上搭建了最基本的硬件系統(tǒng),，主要包括：NiosⅡ處理器,，PLL鎖相環(huán)，片上RAM,，JTAG UART和自定義的SD卡讀寫(xiě)控制器,。NiosⅡ作為系統(tǒng)主控制器，PLL用來(lái)產(chǎn)生SD卡讀／寫(xiě)所需的時(shí)鐘信號(hào)，片上RAM用來(lái)存儲(chǔ)代碼和數(shù)據(jù),，JTAG UART主要用來(lái)調(diào)試,，打印數(shù)據(jù)到控制臺(tái)驗(yàn)證寫(xiě)入的數(shù)據(jù)和讀出的數(shù)據(jù)是否相同。
    硬件系統(tǒng)的建立主要利用Altera公司QuartusⅡ開(kāi)發(fā)工具以及其集成的SoPC Builder完成的,，關(guān)鍵在于如何用SoPC Builder將SD卡讀寫(xiě)控制器添加到元件列表中,。在SoPC Builder提供的圖形化的界面下，添加控制器Verilog源程序后,，設(shè)置控制器中各信號(hào)在Avalon-MM總線中的信號(hào)類(lèi)型等,，圖2即為添加好的SD卡讀寫(xiě)控制器。

    圖2中,，各引腳的描述如下：
    base_clock：控制器輸入時(shí)鐘,，該設(shè)計(jì)采用PLL產(chǎn)生的25MHz時(shí)鐘信號(hào)；
    clk_to_SD：SD卡時(shí)鐘信號(hào)輸入,；
    cmd_SD：SD卡命令,，響應(yīng)輸入／輸出信號(hào)；
    data_SD：SD卡數(shù)據(jù)信號(hào),。
    根據(jù)SD控制器的寄存器映射,，在Nios IDE中編寫(xiě)C程序控制SD卡控制器進(jìn)行讀／寫(xiě)操作，下面代碼為寫(xiě)SD卡的一段程序,，讀SD卡的的過(guò)程與其類(lèi)似,。

    讀／寫(xiě)完一個(gè)扇區(qū)后，控制器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷,，此時(shí)即可進(jìn)行下一次讀／寫(xiě)操作,。由于SD卡讀／寫(xiě)有比較復(fù)雜的時(shí)序要求，命令,、響應(yīng)眾多,，在設(shè)計(jì)的初期，采用Modelsim做了各方面的功能仿真,，功能仿真完成后采用QuartusⅡ自帶的SignalTapⅡ邏輯分析儀來(lái)測(cè)試
分析內(nèi)部邏輯的工作狀態(tài),，SignalTapⅡ使用簡(jiǎn)單方便，更重要的是可以實(shí)時(shí)觀測(cè)內(nèi)部信號(hào)變化,，而且可以設(shè)置觸發(fā)條件，大大提高了開(kāi)發(fā)的效率,。圖3是用SignalTapⅡ邏輯分析儀捕捉到的波形,。

    圖3中，status_reg為狀態(tài)寄存器,，00000900表明卡已處于就緒狀態(tài),，control_reg為控制寄存器，00000001H表明已經(jīng)開(kāi)始了一次對(duì)扇區(qū)0的寫(xiě)傳輸,，mread的上升沿即開(kāi)始了Master端口的讀傳輸,，這里的讀指的是將內(nèi)存中buf數(shù)組中的數(shù)據(jù)讀入控制器,，再由控制器寫(xiě)入SD卡中，waitrequest為等待信號(hào),，高電平時(shí)無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,，waitrequest無(wú)效后可以很明顯地看到000000DFH由Master端口讀入控制器，再由讀寫(xiě)控制邏輯寫(xiě)入SD卡,。

6 結(jié)語(yǔ)
    該設(shè)計(jì)采用SoPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了SD卡讀寫(xiě)控制器,，通過(guò)NiosⅡ處理器控制實(shí)現(xiàn)了SD卡讀／寫(xiě)。由于該控制器根據(jù)Avalon接口規(guī)范進(jìn)行開(kāi)發(fā),，可以很方便以IP核的形式集成到其他SoPC系統(tǒng)中,，簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)SD卡的讀／寫(xiě)，大大降低了開(kāi)發(fā)成本和難度,。本文所設(shè)計(jì)的SD卡讀寫(xiě)控制器還有一大優(yōu)點(diǎn)就是具有Master端口,，可以自主完成數(shù)據(jù)的讀／寫(xiě)，無(wú)需CPU的干預(yù),，另外采用了中斷,，降低了響應(yīng)延時(shí)，提高了讀／寫(xiě)速率,。該設(shè)計(jì)滿足了大部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(chǔ)需求,，適用于工業(yè)監(jiān)測(cè)控制，一般消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品等,。