FPGA和Nios II软核的SD卡文件系统实现方法

在实例中使用了Nios II模块、时钟模块、定时器、SDRAM模块、EPCS模块、UART模块和SPI共计7个模块。
SOPC系统构建完成后，模块之间信号传递的时序并未确定。接下来的时序设计是SOPC能否正常运行的关键。在片上系统生成后，首先要对系统进行时序分析，以便使系统的时序符合设计逻辑的要求，并保证系统的正常工作，必要时要对系统的时序进行适当的约束。这一工作
可利用Quartus II软件中内嵌的TimeQuest完成，也可以使用第三方提供的时序分析软件，如PrimeTime软件等来实现。
本文采用Altera公司提供的TimeQuest来进行时序约束。经过时序约束后，对工程再编译，可产生时序报告。通过分析时序约束报告，可对约束适当修改，这个过程可反复进行，直到满足时序要求为止。

2 SD卡接口协议分析与驱动程序设计
2．1 SD卡通信接口协议分析
SD卡一般定义了SD和SPI两种可选的总线操作方式，本文采用SPI方式与SD卡接口，可以直接利用Quartus II中提供的SPI控制器IP核。S PI协议是面向位传输的同步串行通信协议。在SPI模式下，SD卡可以支持单块与多块的读写操作。
SOPC上的SPI控制器与SD卡之间的读写操作过程应符合SD卡的通信协议，其读写交互过程如图4所示。

从图4中可以看出，任何操作都是由SPI控制器的SD写命令开始，SD卡在接收到一个合法命令后，将给予应答来响应，接下来便是数据块的读或写操作。
2．2 SD卡驱动层程序的编写
Nios II EDS是Altera公司为其Nios II处理器开发的一款C／C++语言编程软件，其软件架构是基于HAL(Hardware Abstraction Layer)之上的，Nios II EDS为Nios开发者提供了编程接口、底层设备驱动、HAL API，以及C标准库等资源。更重要的是，HAL系统库为Nios II软件设计人员提供了应用程序与底层硬件交互的设备驱动接口，从而大大简化了应用程序的开发。此外，HAL系统库还为应用程序与底层硬件驱动之间划分了一条清晰的界线，从而大大提高了应用程序的可复用性，使得应用程序不受底层硬件变化的影响。
片上系统的SPI控制器硬件逻辑，是由SOPC Builder工具将一个SPI主控器软核封装到系统中的，此SPI控制器与Nios II软核以Avalon总线相连接。SD卡的设备驱动层分为4层，包括硬件抽象层、命令层、CRC校验层与操作函接口层，其结构框图如图5所示。

硬件抽象层主要实现Nios II处理器对SPI控制器相应的功能寄存器的操作。
命令层定义了对SD卡各种操作的交互方法，包括命令码与应答码的定义。
CRC校验层主要完成校验工作，对于命令与数据采取不同的校验方式。命令用CRC7校验，数据用CRC16校验。
操作函数接口层的作用是向znFAT32文件系统提供SD卡的所有操作，这其中包括了SD卡的初始化、扇区读写等函数接口(这是文件系统对SD卡进行文件操作所必需的)，以供znFAT32文件系统调用。这里利用Nios IIEDS集成开发环境编写的驱动实现SD对卡的块读写(以扇区为基本单位进行读写操作)，为SD卡挂载文件系统提供API函数。
每个层的接口函数如下：