劉人萍,，汪濤

　　(重慶大學 物理學院，重慶 401331）

        摘要：由于NIOS下自帶的SPI控制器,，一旦建立,，SPI clock(SCLK)的頻率在使用過程中是不允許被修改的，即SPI的讀取速度是不可改變的,，這在很大程度上限制了SD卡的使用性能,，因為在卡初始化的時候，SCLK時鐘最大不能超過400 kHz,。使用軟件模擬SPI,，通過示波器調(diào)試時序，并且移植了FATFS文件系統(tǒng)實現(xiàn)SD的存儲管理,。最后通過存儲文件測試在不同速度下的存儲時間,。

　　關(guān)鍵詞： NIOS;軟件SPI;FATFS文件系統(tǒng);SD卡

　　中圖分類號：TP274文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.027

　　引用格式：劉人萍，汪濤.NIOS下實現(xiàn)存儲速度可調(diào)的SD卡FAT文件系統(tǒng)［J］.微型機與應(yīng)用,，2017,36（8）：85-87,，91.

0引言

　　與傳統(tǒng)處理器相比，NIOS II嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計的時候可以根據(jù)不同的需求來增減外設(shè)的種類和數(shù)量,，在FPGA上面快速地搭建硬軟件平臺,。再加上可以根據(jù)需要很方便地把FPGA并行處理的IP核嵌入到NIOS II系統(tǒng)中，而只需要簡單的Avalon接口總線,，所以其靈活的構(gòu)造方式越來越受到開發(fā)人員的青睞,。

　　嵌入式系統(tǒng)都需要用到大容量存儲設(shè)備，以備數(shù)據(jù)存儲,。目前常用的存儲設(shè)備有U盤,、Flash芯片、SD卡等,，綜合比較,，最適合嵌入式系統(tǒng)的可移動存儲設(shè)備莫過于SD卡了,。SD卡不僅容量可以做到32 GB以上，而且支持SPI,，更換方便,，編程簡單，最高通信速度可以達到18 Mb/s,，可滿足于一般的應(yīng)用要求,。

　　然而在NIOS中使用SPI方式與SD卡通信的時候，由于在軟核的構(gòu)造過程中,，系統(tǒng)已經(jīng)把SPI的時鐘頻率選定,，在軟件編程時不可以再去修改SPI的速率，再加上SD卡在初始化過程時鐘最大不超過400 kHz［1］,，這樣在很大程度上限制了SD卡的使用性能,。解決以上問題的方法就是不使用NIOS II自帶的SPI控制器，利用軟件模擬的方式,，可以隨時調(diào)整SPI的時鐘速率,。

　　本文將從NIOS II軟核的構(gòu)建開始，利用軟件模擬SPI,，接著寫SD的底層驅(qū)動,，最后移植FATFS文件系統(tǒng)來管理SD卡，測量SD卡在不同的速率下寫文件所需要的時間,。

1NIOS II軟核的構(gòu)建

　　1.1SOPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡介［2］

　　為了盡可能簡單地驗證本文所述內(nèi)容,，在硬件方面只選擇了所必需的硬件，其中包括處理器和支持處理工作的外圍設(shè)備以及4個通用的IO,具體如下：

　　(1)NIOS II 處理器,。

　　(2)EPCS:FPGA的配置芯片,，相當于計算機的硬盤。由于FPGA掉電后,，代碼和配置信息都會丟失,，因此EPCS的功能一方面是保存NIOS II軟核的配置信息，另一方面是保存用戶需要運行的程序代碼,。

　　(3)DDR2 SDRAM: 程序運行的地方,。上電之后，系統(tǒng)會把EPCS中的代碼搬移到SDRAM中運行,。

　　(4)JTAG :第一是將編譯好的程序下載到開發(fā)板中,；第二是通過JTAG_UART來調(diào)試程序，打印程序的執(zhí)行結(jié)構(gòu),。

　　(5)4個通用IO : 由于用軟件來模擬SPI,，因此只要4個通用IO，其中3個是輸出方向(SCLK,MOSI,CS),一個是輸入方向(MISO),。

　　1.2NIOS II 軟核構(gòu)建流程［3］

　　(1)時鐘,。時鐘是一個數(shù)字系統(tǒng)不可缺少的一部分,，在嵌入式系統(tǒng)中尤為重要。時鐘信號的質(zhì)量也決定著嵌入式系統(tǒng)工作能否穩(wěn)定,。在本次NIOS II軟核構(gòu)建中使用PLL來得到所希望的時鐘頻率,。本文中所使用的開發(fā)板的晶振頻率是50 MHz，希望得到的時鐘頻率也是50 MHz,，按理說是不需要PLL的,，但是經(jīng)過PLL之后輸出的時鐘在穩(wěn)定性方面更好一些，所以就用PLL來生成一個頻率仍為50 MHz的時鐘,。

　　(2)軟核及控制器構(gòu)建,。這部分以NIOS II CPU為核心，包含了存儲單元的控制器和通用的IO接口,。在CPU選擇過程中有三種類型可供選擇，從資源消耗和工作速度的角度出發(fā),，本文選擇了NIOSII/s,。在選擇SDRAM控制器的時候，需要根據(jù)自己實際的硬件來進行選擇,，一般的數(shù)據(jù)在所使用芯片的DATASHEET中可以查到,。然后是添加Flash控制器，這里使用的是EPCS,，最后建立system ID和JTAG_UART,。

　　(3)添加外圍設(shè)備。這里為了盡可能簡單地驗證本文功能,，只添加了4個通用IO來模擬SPI時序,。這里使用了三個輸出IO(CS,SCLK,MOSI)和一個輸入IO(MISO)。

2軟件模擬SPI及SD卡底層驅(qū)動

　　2.1SPI簡介

　　SPI（Serial Peripheral Interface）是Motorola首先在其處理器上面定義的,。SPI主要應(yīng)用在EEPROM,、Flash、AD轉(zhuǎn)換等,。SPI是一種高速的,、全雙工、同步的通信總線,，并且在芯片的引腳上只占用四跟線,，既節(jié)約了芯片的引腳，也方便了PCB的布局布線,。SPI接口一般使用四跳線通信：MISO:主設(shè)備輸入,，從設(shè)備輸出;MOSI:主設(shè)備輸出，從設(shè)備輸入;SCLK:時鐘信號,，由主設(shè)備產(chǎn)生;CS:從設(shè)備片選信號,，由主設(shè)備產(chǎn)生,。

　　2.2SD卡相關(guān)介紹

　　SD卡（Secure Digital Memory Card）是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，它被廣泛地應(yīng)用在便攜式設(shè)備中,。按容量可以把SD卡分為三類［1］：SDSC(0~2 GB),SDHC(2~32 GB),SDXC(32 GB~2 TB),。

　　SD卡和SDHC卡協(xié)議基本兼容，但是同SDXC卡的區(qū)別比較大,，本文主要介紹目前比較常用的SDHC卡的操作,。SD的操作方式一般支持2種方式：SD卡模式和SPI模式，本文使用SPI模式,。

　　從DATASHEET中可以知道SD卡每個命令是由6個字節(jié)組成的［1］,，第一個字節(jié)的最高兩位固定為01，然后緊接著是6個字節(jié)的命令號,，其中第2~5字節(jié)為命令參數(shù),，如果有些命令沒有命令參數(shù)就設(shè)為0，第6字節(jié)的高7位是CRC,，最低位恒為1,。SD卡的通信采用發(fā)送應(yīng)答機制，每發(fā)送一個命令,，SD卡都會給出一個應(yīng)答,，以告知主機該命令的執(zhí)行情況，或者返回給主機需要獲取的數(shù)據(jù),。后面從示波器中可以看到SD卡具體的發(fā)送命令和接收應(yīng)答的相關(guān)時序,。

　　2.3軟件模擬速度可調(diào)的SPI

　　根據(jù)SD卡手冊的Bus Timing可以看出，SD卡底層的讀寫時序是在時鐘的上升沿接收數(shù)據(jù),，在時鐘的下降沿發(fā)出數(shù)據(jù),。所以根據(jù)這個時序要求，就可以通過軟件來模擬SD卡最底層的數(shù)據(jù)讀寫,。圖1右側(cè)是寫一個字節(jié)的函數(shù),，這個函數(shù)可以通過調(diào)節(jié)usleep(u32 nus)函數(shù)中的參數(shù)來調(diào)整SCLK的速度，從而達到了SPI寫一個字節(jié)速度可調(diào)的目的,。同理可以寫出讀取一個字節(jié)的函數(shù),，同樣可以根據(jù)usleep(u32 nus)中延時的參數(shù)不同來控制SPI讀取數(shù)據(jù)的速度。

　　2.4SD卡的初始化

　　有了SD卡底層的讀寫一個字節(jié)的函數(shù)之后,，就可以與SD卡進行通信了,。根據(jù)SD卡的數(shù)據(jù)手冊可以總結(jié)出SD卡初始化的大致流程：首先需要給SD卡發(fā)送大于74個時鐘，這是因為SD卡內(nèi)部有個供電電壓上升時間,，大概為64個SCLK,剩下的10個SCLK用于SD卡同步,，然后再發(fā)送CMD0使SD卡進入IDLE狀態(tài)；接著發(fā)送CMD8，檢查這個SD卡是否支持2.0協(xié)議,；之后根據(jù)不同的應(yīng)答值檢查SD卡,；最后初始化結(jié)束之后，需要多發(fā)8個SCLK使SD卡完成某些操作［4］,。在完成初始化之后,，就可以進入SD卡的讀寫數(shù)據(jù)了。在調(diào)試過程中利用示波器看到的波形圖如圖2所示,。然后對比手冊給出的發(fā)送命令和返回相應(yīng)的時序圖,，可以驗證以上模擬的SPI時序是否正確可行。

　　圖2(a)是SD卡手冊給出的部分復(fù)位時序圖,，正常情況下在主機發(fā)送CMD0之后,，SD卡會返回主機0x01。圖2（b）是實際在示波器上面看到的時序,，根據(jù)SD卡命令形式可以看出,，NIOS II主機發(fā)送的6個命令字節(jié)分別是：第1個字節(jié)：0x40(命令第一個字節(jié)最高兩位必須為01)，Command = 0;第2~5個字節(jié)：0x00,0x00,0x00,0x00為命令的參數(shù);第6個字節(jié)：0x95命令CRC校驗 + 最低位的“1”,。

　　然后SD卡接收到NIOS II主機發(fā)送的CMD0命令之后,，給出了一個0x01的應(yīng)答，從而可以看出,，上述軟件模擬的SPI時序是正確的,。

　　2.5SD卡讀寫功能測試

　　對SD卡初始化完成之后,，就可以正常使用SD卡了,。由于SD卡是存儲數(shù)據(jù)的設(shè)備，對SD的使用無非是讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù),。有了上面寫命令和讀數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之后,，就可以通過命令的形式來讀寫SD卡了。

　　SD卡手冊規(guī)定,，如果想讀SD卡某個扇區(qū)數(shù)據(jù),，發(fā)送命令CMD17，參數(shù)為扇區(qū)數(shù),，就可以讀出扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù),。寫扇區(qū)通過發(fā)送CMD24來實現(xiàn)。這里使用了兩個函數(shù),分別為讀一個扇區(qū)和寫一個扇區(qū)函數(shù)：

　　SD_ReadDisk(buf,0,1)//把扇區(qū)0的數(shù)據(jù)讀到buf中

　　SD_WriteDisk(buf,0,1)//把buf中的數(shù)據(jù)寫到扇區(qū)0中

　　由于SD卡是塊設(shè)備,，在操作的時候需要一個扇區(qū)一個扇區(qū)地操作,。在測試SD卡讀寫功能的時候，先對SD卡初始化,，接著讀出原來0號扇區(qū)的數(shù)據(jù),，然后再寫入數(shù)據(jù)，最后再次讀出,，經(jīng)過JTAG_UART的打印,，可以看出是符合預(yù)期目標的,，所以讀寫函數(shù)功能正常。

3FATFS文件系統(tǒng)移植及SD卡速度測試

　　前面只是對SD卡一個扇區(qū)的讀寫,，而且讀寫都是數(shù)字,。要真正有效地利用SD卡保存文件或者音樂等，必須使用文件系統(tǒng)管理,。本文將使用FATFS來管理SD卡,，實現(xiàn)SD卡文件的讀寫。FATFS是一個完全免費并且開源的FAT文件系統(tǒng)模塊,，用標準的C語言編寫,，移植到各種嵌入式設(shè)備只需要進行少量的修改。FATFS支持多個存儲媒介,，有獨立的緩沖區(qū),，可以對多個文件進行讀寫。使用者無需去關(guān)心FATFS內(nèi)部復(fù)雜的協(xié)議,，只需要像調(diào)用其提供的其他一系列應(yīng)用接口函數(shù)那樣就可以了,。

　　在移植使用的時候，只需要編寫底層FATFS提供的接口函數(shù),，它主要包括存儲設(shè)備的讀函數(shù),、寫函數(shù)、初始化等,，之后就可以輕松地使用,。

　　3.1FATFS移植步驟

　　(1)在官網(wǎng)下載源碼，解壓,。本文所使用的Eclipse編譯環(huán)境中的數(shù)據(jù)類型和源碼文件夾中integer.h里面的定義是一致的,，所以不需要改動。如果使用其他編譯器的數(shù)據(jù)類型不和源碼中的相同,，就需要根據(jù)編譯器定義好數(shù)據(jù)類型,。

　　(2)在ffconf.h頭文件中修改相關(guān)配置。這里根據(jù)自己的要求,，改變某些變量的值,，就可以配置出適合自己需求的文件系統(tǒng)。

　　(3)由于文件系統(tǒng)模塊完全與磁盤IO層分開,，為了增加通用性,，F(xiàn)ATFS的開發(fā)者并不確定用戶所用的存儲設(shè)備是哪一類，所以需要用戶自己提供相應(yīng)的底層操作函數(shù),。在diskio.c文件里面,，F(xiàn)ATFS已經(jīng)提供了函數(shù)接口，只需要根據(jù)自己的存儲設(shè)備類型，把這些底層操作函數(shù)添加進入即可,。這里FATFS留出了6個函數(shù)接口,。僅僅是為了驗證本文的功能，本文只添加了三個函數(shù),，其余函數(shù)都返回0,。添加的函數(shù)為：disk_initialize,disk_read, disk_write。初始化函數(shù)和讀寫扇區(qū)函數(shù)在前面都已經(jīng)使用和測試過,，只需要把這三個函數(shù)交給文件系統(tǒng)使用就可以了,。

　　3.2文件系統(tǒng)測試

　　本文對文件系統(tǒng)的測試，首先調(diào)用FATFS提供的接口函數(shù)f_getfree來測試SD卡的總?cè)萘亢褪Ｓ嗳萘?，然后在SD卡中創(chuàng)建一個文件,，最后顯示SD卡的容量，判斷FATFS文件系統(tǒng)測試的結(jié)果和實際的結(jié)果是否一致,，再在PC上查看SD卡中是否有剛才創(chuàng)建的文件,。本文所用SD卡容量為4 GB，調(diào)用FATFS文件系統(tǒng)提供的接口f_getfree函數(shù)之后,，得到了SD卡的容量為3 716 MB,，如圖3所示，與實際的容量是相符合的,。

　　3.3SD卡寫文件速度測試

　　在移植文件系統(tǒng)之后,，就可以輕松地使用SD卡來存儲文件了。這里限于硬件條件比較簡單,，所以只對SD卡寫文件的速度做一個大致的測試和估算,。如前所述可以通過改變usleep(u32 nus)這個函數(shù)的參數(shù)來改變SD卡的讀寫速度。本文測試的方法是：向SD卡寫入100 KB大小的文件,，記錄在不同參數(shù)下所用的時間,。最后通過測試發(fā)現(xiàn),，使用usleep(10)函數(shù)寫入100 KB的文件大致需要18 s;使用usleep(1)函數(shù)寫入100 KB的文件大致需要3 s,。通過初略的估算，usleep(10)的情況下,，數(shù)據(jù)率約為50 kb/s=6.125 kB/s,，寫入100 KB內(nèi)容需要16.3 s，再加上SD卡初始化階段的一些通信命令和讀寫命令的開銷時間,，可以認為是在正常范圍,。

　　4結(jié)論

　　本文在NIOS下利用軟件模擬SPI，對SD卡進行了準確的讀寫,，然后移植FATFS文件系統(tǒng)來管理SD卡,。提出了可以通過改變SPI SCLK的時鐘頻率來改變SD卡的讀寫速率，并且測試了在不同速率下SD卡寫文件的速率，可以解決在NIOS II下使用SPI不可改變SCLK速率的問題,。

　　參考文獻

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