基于SoPC的SD卡控制器IP核的設計
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4 文件系統(tǒng)移植
讀寫操作均以扇區(qū)為單位，SD卡僅相當于一塊容量較大的Flash，移植文件系統(tǒng)可方便地與PC機或其他電子產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換以及后期分析處理。μC/FS是一種為其提供基本的硬件訪問功能即可應用于任何存儲介質的FAT文件系統(tǒng)，其使用標準ANSI C編寫可應用于幾乎任何CPU。μC/FS具有以下特點[4]：(1)支持DOS/Windows環(huán)境下的FAT12，F(xiàn)AT16 和FAT32。(2)支持多個存儲器共同工作，可以同時訪問多個存儲器。(3)多操作系統(tǒng)支持，可以很方便地移植到幾乎任何操作系統(tǒng)。(4)可以很容易地集成使用SPI模式的MMC/SD卡通用設備驅動等?；谝陨系奶攸c，μC/FS 非常適用于嵌入式系統(tǒng)。
4.1 μC/FS文件系統(tǒng)結構分析
μC/FS 采取分層工作方式，每一層負責不同的功能，由高層的數(shù)據(jù)抽象到底層的硬件實體分工明確，其系統(tǒng)結構層次劃分如圖2所示。
4.2 文件系統(tǒng)實現(xiàn)
在完成SD卡控制器及其軟件驅動并實現(xiàn)SD卡基礎讀寫的基礎上，按照μC/FS文件系統(tǒng)的接口函數(shù)編寫設備驅動程序并對系統(tǒng)參數(shù)做相應設置即可實現(xiàn)SD卡文件操作。μC/FS文件系統(tǒng)的接口函數(shù)主要通過一個結構體(FS__device_type)進行描述，該結構體包含了驅動設備的名稱以及4個基本的驅動設備掛接函數(shù)的函數(shù)指針：
typedef struct {
FS_FARCHARPTR name;
int (*dev_status)(FS_u32 Unit);
int(*dev_read)(FS_u32 Unit, FS_u32 Sector, void *pBuffer);
int(*dev_write)(FS_u32 Unit,FS_u32 Sector,void *pBuffer);
int(*dev_ioctl)( FS_u32 Unit, FS_i32 Cmd, FS_i32 Aux,
void *pBuffer);
} FS__device_type;
其中,dev_status()函數(shù)主要實現(xiàn)FAT表狀態(tài)信息的讀取,并表明該SD設備可以使用；dev_read()函數(shù)實現(xiàn)對SD卡進行文件系統(tǒng)塊數(shù)據(jù)的讀??；dev_write()函數(shù)實現(xiàn)對SD卡進行文件系統(tǒng)塊數(shù)據(jù)的寫入；dev_ioctl()函數(shù)則主要實現(xiàn)文件操作的相關指令,包括文件格式化、數(shù)據(jù)cache回寫等操作。
5 仿真與驗證
對SD卡控制器的仿真驗證工作主要從時序仿真和軟件驅動控制器讀寫SD卡進行文件操作驗證兩方面進行。
5.1 SD卡控制器的時序仿真
在Quartus II中創(chuàng)建波形激勵文件后,得到的時序仿真結果如圖3所示。在仿真圖中可以看出,控制器在初始化過程中，首先將CMD0（0x40）、參數(shù)(0x00000000)和命令校驗位(0x95)通過SPITrans模塊進行并/串轉后發(fā)送到SD卡的CMD線進行復位,等收到SD卡DAT線上發(fā)送回來的回執(zhí)(0x01)后,接著發(fā)送CMD1(0x41)、參數(shù)（0x00000000）和命令校驗位(0xFF)到SD卡進行初始化。由此可見,SD卡控制器設計符合SD卡協(xié)議標準。
5.2文件操作驗證
通過調用μC/FS 文件系統(tǒng)提供的API函數(shù),如：FS_Fopen()打開文件、FS_FRead()讀文件、FS_FWrite()寫文件等編寫測試程序如下:
void main(void)
{
char *device="sd:"
const char *WriteMsg="test sd card writen";
FS_Init(); /*初始化文件系統(tǒng)*/
show_free(device); /*顯示SD卡空間信息*/
write_file("test.txt",WriteMsg); /*寫入文件test.txt*/
show_directory(device); /*顯示根目錄文件信息*/
dump_file("test.txt"); /*讀test.txt文件內容*/
…
}
選用4 GB容量的SDHC卡,在PC機上將其格式化為FAT文件系統(tǒng)并創(chuàng)建文件夾HELLO和文件WORD.DOC。SD卡在線運行調試結果如圖4所示。由運行結果可知，初始化成功并識別此SD卡為SDHC (Secure Digital High Capacity)卡，卡容量為964 256(總簇數(shù))×8（每簇扇區(qū)數(shù)）×512（每扇區(qū)字節(jié)數(shù)）≈3.7 GB。創(chuàng)建test.txt文件成功后讀取根目錄(有文件目錄hello、文件word.doc和文件test.txt),讀取文件test.txt內容為test sd card write與寫入一致。運行結果表明文件操作正確可靠。
通過對SD卡物理層協(xié)議和μC/FS 文件系統(tǒng)的研究，成功設計了具有Avalon總線接口的SD卡控制器，并通過時序仿真、軟件驅動的方式進行仿真和調試，驗證了SD卡控制器的工作情況，在此基礎上實現(xiàn)了SD卡中的文件操作，使SOPC設計能與PC機或各種電子產(chǎn)品方便地進行數(shù)據(jù)交換。本設計已成功應用在基于SOPC架構的多用途無線防盜監(jiān)控系統(tǒng)中。
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