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，通過示波器調試時序，并且移植了FATFS文件系統實現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。

　　關鍵詞： NIOS;軟件SPI;FATFS文件系統;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下實現存儲速度可調的SD卡FAT文件系統［J］.微型機與應用，2017,36（8）：85-87，91.

0引言

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

　　嵌入式系統都需要用到大容量存儲設備，以備數據存儲。目前常用的存儲設備有U盤、Flash芯片、SD卡等，綜合比較，最適合嵌入式系統的可移動存儲設備莫過于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，由于在軟核的構造過程中，系統已經把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，可以隨時調整SPI的時鐘速率。

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

1NIOS II軟核的構建

　　1.1SOPC系統結構簡介［2］

　　為了盡可能簡單地驗證本文所述內容，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板中；第二是通過JTAG_UART來調試程序，打印程序的執行結構。

　　(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 軟核構建流程［3］

　　(1)時鐘。時鐘是一個數字系統不可缺少的一部分，在嵌入式系統中尤為重要。時鐘信號的質量也決定著嵌入式系統工作能否穩定。在本次NIOS II軟核構建中使用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，但是經過PLL之后輸出的時鐘在穩定性方面更好一些，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，本文選擇了NIOSII/s。在選擇SDRAM控制器的時候，需要根據自己實際的硬件來進行選擇，一般的數據在所使用芯片的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主要應用在EEPROM、Flash、AD轉換等。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:主設備輸入，從設備輸出;MOSI:主設備輸出，從設備輸入;SCLK:時鐘信號，由主設備產生;CS:從設備片選信號，由主設備產生。

　　2.2SD卡相關介紹

　　SD卡（Secure Digital Memory Card）是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，它被廣泛地應用在便攜式設備中。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卡協議基本兼容，但是同SDXC卡的區別比較大，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個字節組成的［1］，第一個字節的最高兩位固定為01，然后緊接著是6個字節的命令號，其中第2~5字節為命令參數，如果有些命令沒有命令參數就設為0，第6字節的高7位是CRC，最低位恒為1。SD卡的通信采用發送應答機制，每發送一個命令，SD卡都會給出一個應答，以告知主機該命令的執行情況，或者返回給主機需要獲取的數據。后面從示波器中可以看到SD卡具體的發送命令和接收應答的相關時序。

　　2.3軟件模擬速度可調的SPI

　　根據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據，在時鐘的下降沿發出數據。所以根據這個時序要求，就可以通過軟件來模擬SD卡最底層的數據讀寫。圖1右側是寫一個字節的函數，這個函數可以通過調節usleep(u32 nus)函數中的參數來調整SCLK的速度，從而達到了SPI寫一個字節速度可調的目的。同理可以寫出讀取一個字節的函數，同樣可以根據usleep(u32 nus)中延時的參數不同來控制SPI讀取數據的速度。

　　2.4SD卡的初始化

　　有了SD卡底層的讀寫一個字節的函數之后，就可以與SD卡進行通信了。根據SD卡的數據手冊可以總結出SD卡初始化的大致流程：首先需要給SD卡發送大于74個時鐘，這是因為SD卡內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，然后再發送CMD0使SD卡進入IDLE狀態；接著發送CMD8，檢查這個SD卡是否支持2.0協議；之后根據不同的應答值檢查SD卡；最后初始化結束之后，需要多發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卡的讀寫數據了。在調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送命令和返回相應的時序圖，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位時序圖，正常情況下在主機發送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SD卡命令形式可以看出，NIOS II主機發送的6個命令字節分別是：第1個字節：0x40(命令第一個字節最高兩位必須為01)，Command = 0;第2~5個字節：0x00,0x00,0x00,0x00為命令的參數;第6個字節：0x95命令CRC校驗 + 最低位的“1”。

　　然后SD卡接收到NIOS II主機發送的CMD0命令之后，給出了一個0x01的應答，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卡是存儲數據的設備，對SD的使用無非是讀數據和寫數據。有了上面寫命令和讀數據的基礎之后，就可以通過命令的形式來讀寫SD卡了。

　　SD卡手冊規定，如果想讀SD卡某個扇區數據，發送命令CMD17，參數為扇區數，就可以讀出扇區內的數據。寫扇區通過發送CMD24來實現。這里使用了兩個函數,分別為讀一個扇區和寫一個扇區函數：

　　SD_ReadDisk(buf,0,1)//把扇區0的數據讀到buf中

　　SD_WriteDisk(buf,0,1)//把buf中的數據寫到扇區0中

　　由于SD卡是塊設備，在操作的時候需要一個扇區一個扇區地操作。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號扇區的數據，然后再寫入數據，最后再次讀出，經過JTAG_UART的打印，可以看出是符合預期目標的，所以讀寫函數功能正常。

3FATFS文件系統移植及SD卡速度測試

　　前面只是對SD卡一個扇區的讀寫，而且讀寫都是數字。要真正有效地利用SD卡保存文件或者音樂等，必須使用文件系統管理。本文將使用FATFS來管理SD卡，實現SD卡文件的讀寫。FATFS是一個完全免費并且開源的FAT文件系統模塊，用標準的C語言編寫，移植到各種嵌入式設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，可以對多個文件進行讀寫。使用者無需去關心FATFS內部復雜的協議，只需要像調用其提供的其他一系列應用接口函數那樣就可以了。

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

　　3.1FATFS移植步驟

　　(1)在官網下載源碼，解壓。本文所使用的Eclipse編譯環境中的數據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據類型不和源碼中的相同，就需要根據編譯器定義好數據類型。

　　(2)在ffconf.h頭文件中修改相關配置。這里根據自己的要求，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。

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

　　3.2文件系統測試

　　本文對文件系統的測試，首先調用FATFS提供的接口函數f_getfree來測試SD卡的總容量和剩余容量，然后在SD卡中創建一個文件，最后顯示SD卡的容量，判斷FATFS文件系統測試的結果和實際的結果是否一致，再在PC上查看SD卡中是否有剛才創建的文件。本文所用SD卡容量為4 GB，調用FATFS文件系統提供的接口f_getfree函數之后，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)這個函數的參數來改變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，記錄在不同參數下所用的時間。最后通過測試發現，使用usleep(10)函數寫入100 KB的文件大致需要18 s;使用usleep(1)函數寫入100 KB的文件大致需要3 s。通過初略的估算，usleep(10)的情況下，數據率約為50 kb/s=6.125 kB/s，寫入100 KB內容需要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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　　［4］ 陳續,鄧中亮.基于NIOS II的SD卡驅動程序開發［J］.電子設計工程，2010，18(5)：107-110.