0 引言

Altera公司開發的Nios II是基于可編程片上系統SOPC（System on a Programmable Chip）技術的32 位嵌入式處理器軟核。Altera 公司開發的Nios II軟核，可以直接放在FPGA中，它體現了把實現產品的全部單元電路集成到一個芯片之內的片上系統SOPC的思想。作為一種具有競爭力的技術，在國外已經有大量的產品使用了這種技術，在國內使用Nios II處理器進行嵌入式系統設計的開發者也越來越多，但是離大規模應用還有距離，應該得到更加廣泛的關注。本文在實際的項目中需要使用Nios II來開發存儲系統，對于利用Nios II來進行嵌入式系統開發，還有許多工作需要去深入研究本文在進行存儲系統項目開發的過程中，完成了基于FPGA的系統硬件軟件設計。為了到達系統的設計目標，就需要對Nios II的SOPC技術進行深入的研究。還需要進行uClinux操作系統的移植，基于操作系統的SD卡數據讀寫，必然就要涉及到怎樣編寫驅動程序。本文先簡單介紹操作SD卡的基本的硬件電路，接著給出了SD卡讀寫操作和驅動程序設計的基本過程。最后給出了全文的結論，本文給出的方法具有一定的普遍性，和實用性。

1系統硬件結構設計

1.1 SD卡

SD卡（Secure Digitgal Memory Card）即“安全數碼存儲卡”是由日本松下公司、東芝公司、美國SANDISK 等公司在MMC卡的基礎上共同開發研究而推出的，是一種容量大、高性能、安全性好、訪問接口簡單的存儲卡，得到了廣泛的使用。使用的范圍包括：MP3、數碼攝像機和照相機產品、智能手機等消費類電子設備。當前很多微處理器在內部都集成了與SD卡通信的接口電路。

1.2 SD卡的特征

SD 卡的外形和接口觸點如圖1 所示。外形尺寸分為兩種，分別為：24 mm * 32 mm * 2.1 mm 或24 mm * 32mm *1.4mm.

軟核處理器的SD卡接口設計" src="http://files.chinaaet.com/images/2013/06/08/12290336283566.jpg" style="width: 469px; height: 140px; " />

圖1 SD 卡的形狀和接口

微處理器和SD卡之間的接口電路，要符合一定的約定，這個在SD卡的讀寫操作中，被稱為通信協議。為了適應不同的通信協議，可以設置SD 卡使其工作在不同的通信模式之下。SD卡的通信模式分為兩種，一種是所謂的SD模式，另一種是SPI模式。現在SPI通信模式得到越來越多的使用。在處理器和SD卡的通信過程中，和SD卡通信的處理器（稱為主機），選擇一種通信方式，但在通信的整個過程中不能改變通信模式。SD卡分析復位命令，以確定下面的通信采用什么模式，在接下來的時間內，通信雙方要使用相同的通信模式。

當工作在SD模式下時，主機使用SD總線訪問SD卡，使用多點總線拓樸結構。這種結構包括一個主機和多個從機（這里是指SD卡）。所有的SD卡共用一個時鐘信號CLK、電源和地，命令線和數據線則是屬于每一SD卡所專用的。前面說到現在的微處理器都集成有硬件SPI接口，用于板內的芯片之間的操作非常方便。當設定工作在SPI模式下時，主機使用自身所帶的SPI總線來訪問SD卡。微處理器在第一個發給SD卡的復位命令中配置通信模式為SPI方式，當然在操作SD卡的通信期間，通信模式是不能更改為SD模式的。

1.3 SD卡內部構造

圖2是SD卡的內部結構圖，主機通過SD卡的接口控制器來控制SD內部的存儲單元中的數據。這樣設計的目的一方面是把SD卡內部的存儲器和外部的操作隔離開來，利于保護內部的數據。另一方面也有利于內部存儲器采用更新的工藝，而不影響外部的訪問接口。

在使用微處理器來讀寫SD卡內的數據時，要嚴格遵循通信協議。首先SD卡的數據傳輸的基本單位是字節。但是在SD卡的內部是以塊為單位來組織數據的。對SD的數據讀取操作本質上是以塊為單位的。一個塊的長度一般是2的冪，比如256字節或者512字節。在具體的一次數據傳輸中塊的長度（以字節為單位）可以在傳輸數據之前的命令控制字中設置。至于SD卡所允許的塊的最大長度可以讀取SD卡的寄存器CSD來確定。在SD卡內部有控制寄存器和狀態寄存器，其中的4個寄存器中存放著配置信息，比如RCA寄存器中存放本次通信過程中由主機分配的地址。

1.4訪問SD卡的硬件電路

SD卡采用SPI總線方式與處理器連接，其電路原理如圖2所示。

圖2 SD 卡接口電路圖

1.5 NiosII的構建過程

首先要考慮到的是使用什么樣的Nios II,Nios II分為幾個等級，有標準內核和高速內核。由于本系統對速度的要求并不高，設計時采用了標準的Nios II內核。在速度和所占用的資源方面具有比較好的折中。采用Altera公司的SOPC Builder工具來進行構建，生成一個Nios II的標準內核。

接著要對選中的Nios標準內核進行配置，這里要考慮的問題是如何如何分配片內存儲器和片外存儲器的使用。片內存儲器的資源是很寶貴的，所以要先確定系統運行所需要的片內ROM或RAM,在滿足性能的條件下，盡可能使用較少的片內存儲器。

對于一個實際的系統，光有片內存儲器一般是不夠的，尤其是考慮到要進行嵌入式操作系統的移植，所以還要增加片外存儲器。Niso II通過Avalon總線和片外存儲器以及外部設備連接。外部存儲器件的類型包括SRAM、SDRAM、DDR2、Flash等，外部設備包括UART串行口等。本設計采用SDRAM.

接著是添加PIO端口，定義輸入輸出端口，主要的目的是用于Nios II讀取數字量。Nios II所采用的時鐘和FPGA 的時鐘密切相關，一般是通過鎖相環PLL 把外部輸入的時鐘進行倍頻之后再送給Nios II來作為主頻使用，同時外部設備也使用時鐘信號。外部時鐘信號為25MHz,而經過倍頻后為50MHz.

至此，主要的配置過程就結束了。但是還是需要配置如下部分：

（1） 分配存儲器和外部設備的基地址和中斷請求優先級；

（2） 設定NiosII處理器的啟動地址，本設計把片內存儲器設定為Nios II的啟動地址。

（3） 在生成NiosⅡ系統時，可以選擇生成Verilog語言還是VHDL 語言，本設計采用VHDL語言進行設計；

（4） 最后生成的qsf文件，相當于整個工程的文件，但是關于配置管腳使用的部分，需要用戶去生成。生成的方法可以在圖形界面下配置，也可以通過寫tcl文件的方法。寫tcl文件的方法一般來講，對于大型工程，還是比較方便的。

（5） 編譯整個NiosⅡ系統，在Altera 提供的開發環境Quartus II 中進行編譯。頂層設計文件可以使VHDL 也可以是原理圖的形式。

（6） 采用JATG口進行下載，把生成的的SOF文件下載到FPGA里。

2系統軟件設計

Altera公司為了用戶方便使用Nios II來快速研制產品，提供了功能強大、易于使用的Nios II集成開發環境，與一般的嵌入式系統開發設計比較類似。在生成NiosII的過程中已經自動生成了需要使用的頭文件（一般是C語言的頭文件），同時一般外圍設備的驅動程序也可以生成。對于嵌入式操作系統，可以使用用戶自己裁剪的ucLinux內核也可以使用Altera提供的操作系統內核。本設計使用Altera公司提供的Nios II 9.0版本的開發環境。

    2.1 SD卡初始化

在對SD 卡進行讀/寫之前，必須知道卡的類型、卡的容量、卡的大小等信息。具體來說，初始化函數主要完成以下工作：

（1） 微處理器（這里指Nios II）復位SD卡，激活SD卡內部控制電路進行初始化處理，使SD卡進入SPI 模式；

（2） 發送命令查詢SD卡是否支持3.3V供電；

（3） 調整SPI時鐘頻率；

（4） 根據編譯選項使能或者禁止通信過程中的CRC校驗；

（5） 設置用于讀/寫操作的塊數據長度；

（6） 最后是初始化全局變量sds.

SD卡初始化函數INTSU SD_Initialize（viod）就是用于完成以上任務的，它讀取SD卡內部CSD寄存器，然后對全局變量sds進行賦值。

2.2 SD卡讀寫操作

對SD卡的讀寫操作需要知道SD 卡的一些基本的屬性：插入卡座中SD卡的型號；SD卡中全部塊的數量；SD卡的最大數據塊的長度；一次可擦除的塊數量；卡的讀取、寫入、擦除操作的超時時間。

SD卡讀/寫軟件包中定義了一個全局變量sds,軟件包的很多地方使用了這個全局變量。SD卡的寫操作包括寫單塊和寫多塊兩種方式。SD卡的初始化函數SD_Initialixe（）已經調用SD_SetBlockLen（）函數設定了讀/寫數據的長度為SD_BLOCKSIZE 字節，所以卡初始化以后，讀寫都必須以塊為單位。

3 SD卡驅動設計

Nios II軟件架構是建立在HAL（Hardware Abstraction Layer）基礎之上的。HAL為Nios II的軟件開發者提供了操作底層硬件的編程接口。設備驅動驅動程序的編制一般要使用HAL提供的API函數以及C標準庫等。HAL提供的功能以及它與底層設備驅動程序之間的關系如圖3所示，這種模塊化的設計架構可以加速應用程序的開發。使用這種分層的體系架構，HAL層把應用程序和底層硬件驅動程序之間隔離開來，使得應用程序的開發不依賴于底層HAL和硬件的變化，增加了應用程序的可移植性。設計驅動程序最重要的是理解具體SD卡的讀寫操作的過程，之后是如何和嵌入式操作系統連接起來。在編制好SD卡的驅動程序后，在應用程序中操作SD卡就簡單了。所以編制SD卡的驅動在本設計中是重要的一部分。

圖3 基于HAL的系統層次結構

結束語

本文基于Nios II實現了對于SD卡的控制，不僅包括硬件設計還包括系統軟件設計。傳統的系統設計是基于硬核處理器的架構，系統的硬件設計受到了限制。SOPC的設計思想使得片上系統的設計更加靈活，硬件設計的限制因素基本不存在了。在一個FPGA的芯片上幾乎可以實現一個整個系統，對于系統的小型化的作用是顯著的。本文對基于NiosⅡ的嵌入式系統的設計進行了深入的研究，并在此基礎上，設計完成了以Altera公司的Cyclone III系列中的EP3C16 FPGA為核心芯片的SOPC開發平臺。另外本文在此平臺之上，移植了嵌入式操作系統，并在此環境下實現了SD卡的接口設計，因此包括了整個的硬件和軟件設計。在系統設計的過程中，分析了Nios II 的Avalon總線的系統架構、SD 卡的通信協議。