劉人萍，汪濤
(重慶大學(xué) 物理學(xué)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?yàn)樵诳ǔ跏蓟臅r(shí)候，SCLK時(shí)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(shí)序，并且移植了FATFS文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)SD的存儲(chǔ)管理。最后通過存儲(chǔ)文件測(cè)試在不同速度下的存儲(chǔ)時(shí)間。
關(guān)鍵詞： NIOS;軟件SPI;FATFS文件系統(tǒng);SD卡
中圖分類號(hào)：TP274文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.08.027
引用格式：劉人萍，汪濤.NIOS下實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)速度可調(diào)的SD卡FAT文件系統(tǒng)［J］.微型機(jī)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(jì)的時(shí)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(tái)。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(jiǎn)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(chǔ)設(shè)備，以備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。目前常用的存儲(chǔ)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(dòng)存儲(chǔ)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(jiǎn)單，最高通信速度可以達(dá)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(shí)候，由于在軟核的構(gòu)造過程中，系統(tǒng)已經(jīng)把SPI的時(shí)鐘頻率選定，在軟件編程時(shí)不可以再去修改SPI的速率，再加上SD卡在初始化過程時(shí)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(shí)調(diào)整SPI的時(shí)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(dòng)，最后移植FATFS文件系統(tǒng)來管理SD卡，測(cè)量SD卡在不同的速率下寫文件所需要的時(shí)間。
1NIOS II軟核的構(gòu)建
1.1SOPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介［2］
為了盡可能簡(jiǎn)單地驗(yàn)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(gè)通用的IO,具體如下：
(1)NIOS II 處理器。
(2)EPCS:FPGA的配置芯片，相當(dāng)于計(jì)算機(jī)的硬盤。由于FPGA掉電后，代碼和配置信息都會(huì)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(yùn)行的程序代碼。
(3)DDR2 SDRAM: 程序運(yùn)行的地方。上電之后，系統(tǒng)會(huì)把EPCS中的代碼搬移到SDRAM中運(yùn)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(gè)通用IO : 由于用軟件來模擬SPI，因此只要4個(gè)通用IO，其中3個(gè)是輸出方向(SCLK,MOSI,CS),一個(gè)是輸入方向(MISO)。
1.2NIOS II 軟核構(gòu)建流程［3］
(1)時(shí)鐘。時(shí)鐘是一個(gè)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(shí)鐘信號(hào)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(shí)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(shí)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(shí)鐘在穩(wěn)定性方面更好一些，所以就用PLL來生成一個(gè)頻率仍為50 MHz的時(shí)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(chǔ)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(shí)候，需要根據(jù)自己實(shí)際的硬件來進(jìn)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(jiǎn)單地驗(yàn)證本文功能，只添加了4個(gè)通用IO來模擬SPI時(shí)序。這里使用了三個(gè)輸出IO(CS,SCLK,MOSI)和一個(gè)輸入IO(MISO)。
2軟件模擬SPI及SD卡底層驅(qū)動(dòng)
2.1SPI簡(jiǎn)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(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生;CS:從設(shè)備片選信號(hào)，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(gè)命令是由6個(gè)字節(jié)組成的［1］，第一個(gè)字節(jié)的最高兩位固定為01，然后緊接著是6個(gè)字節(jié)的命令號(hào)，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(jī)制，每發(fā)送一個(gè)命令，SD卡都會(huì)給出一個(gè)應(yīng)答，以告知主機(jī)該命令的執(zhí)行情況，或者返回給主機(jī)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(shí)序。
2.3軟件模擬速度可調(diào)的SPI
根據(jù)SD卡手冊(cè)的Bus Timing可以看出，SD卡底層的讀寫時(shí)序是在時(shí)鐘的上升沿接收數(shù)據(jù)，在時(shí)鐘的下降沿發(fā)出數(shù)據(jù)。所以根據(jù)這個(gè)時(shí)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(gè)字節(jié)的函數(shù)，這個(gè)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(dá)到了SPI寫一個(gè)字節(jié)速度可調(diào)的目的。同理可以寫出讀取一個(gè)字節(jié)的函數(shù)，同樣可以根據(jù)usleep(u32 nus)中延時(shí)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(gè)字節(jié)的函數(shù)之后，就可以與SD卡進(jìn)行通信了。根據(jù)SD卡的數(shù)據(jù)手冊(cè)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(gè)時(shí)鐘，這是因?yàn)镾D卡內(nèi)部有個(gè)供電電壓上升時(shí)間，大概為64個(gè)SCLK,剩下的10個(gè)SCLK用于SD卡同步，然后再發(fā)送CMD0使SD卡進(jìn)入IDLE狀態(tài)；接著發(fā)送CMD8，檢查這個(gè)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(gè)SCLK使SD卡完成某些操作［4］。在完成初始化之后，就可以進(jìn)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(duì)比手冊(cè)給出的發(fā)送命令和返回相應(yīng)的時(shí)序圖，可以驗(yàn)證以上模擬的SPI時(shí)序是否正確可行。
圖2(a)是SD卡手冊(cè)給出的部分復(fù)位時(shí)序圖，正常情況下在主機(jī)發(fā)送CMD0之后，SD卡會(huì)返回主機(jī)0x01。圖2（b）是實(shí)際在示波器上面看到的時(shí)序，根據(jù)SD卡命令形式可以看出，NIOS II主機(jī)發(fā)送的6個(gè)命令字節(jié)分別是：第1個(gè)字節(jié)：0x40(命令第一個(gè)字節(jié)最高兩位必須為01)，Command = 0;第2~5個(gè)字節(jié)：0x00,0x00,0x00,0x00為命令的參數(shù);第6個(gè)字節(jié)：0x95命令CRC校驗(yàn) + 最低位的“1”。
然后SD卡接收到NIOS II主機(jī)發(fā)送的CMD0命令之后，給出了一個(gè)0x01的應(yīng)答，從而可以看出，上述軟件模擬的SPI時(shí)序是正確的。
2.5SD卡讀寫功能測(cè)試
對(duì)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(chǔ)數(shù)據(jù)的設(shè)備，對(duì)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(cè)規(guī)定，如果想讀SD卡某個(gè)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(shí)現(xiàn)。這里使用了兩個(gè)函數(shù),分別為讀一個(gè)扇區(qū)和寫一個(gè)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(shí)候需要一個(gè)扇區(qū)一個(gè)扇區(qū)地操作。在測(cè)試SD卡讀寫功能的時(shí)候，先對(duì)SD卡初始化，接著讀出原來0號(hào)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(biāo)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(cè)試
前面只是對(duì)SD卡一個(gè)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(shí)現(xiàn)SD卡文件的讀寫。FATFS是一個(gè)完全免費(fèi)并且開源的FAT文件系統(tǒng)模塊，用標(biāo)準(zhǔn)的C語言編寫，移植到各種嵌入式設(shè)備只需要進(jìn)行少量的修改。FATFS支持多個(gè)存儲(chǔ)媒介，有獨(dú)立的緩沖區(qū)，可以對(duì)多個(gè)文件進(jìn)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(shí)候，只需要編寫底層FATFS提供的接口函數(shù)，它主要包括存儲(chǔ)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(dòng)。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(chǔ)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(chǔ)設(shè)備類型，把這些底層操作函數(shù)添加進(jìn)入即可。這里FATFS留出了6個(gè)函數(shù)接口。僅僅是為了驗(yàn)證本文的功能，本文只添加了三個(gè)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(cè)試過，只需要把這三個(gè)函數(shù)交給文件系統(tǒng)使用就可以了。
3.2文件系統(tǒng)測(cè)試
本文對(duì)文件系統(tǒng)的測(cè)試，首先調(diào)用FATFS提供的接口函數(shù)f_getfree來測(cè)試SD卡的總?cè)萘亢褪Ｓ嗳萘浚缓笤赟D卡中創(chuàng)建一個(gè)文件，最后顯示SD卡的容量，判斷FATFS文件系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果和實(shí)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(shí)際的容量是相符合的。
3.3SD卡寫文件速度測(cè)試
在移植文件系統(tǒng)之后，就可以輕松地使用SD卡來存儲(chǔ)文件了。這里限于硬件條件比較簡(jiǎn)單，所以只對(duì)SD卡寫文件的速度做一個(gè)大致的測(cè)試和估算。如前所述可以通過改變usleep(u32 nus)這個(gè)函數(shù)的參數(shù)來改變SD卡的讀寫速度。本文測(cè)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(shí)間。最后通過測(cè)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(shí)間，可以認(rèn)為是在正常范圍。
4結(jié)論
本文在NIOS下利用軟件模擬SPI，對(duì)SD卡進(jìn)行了準(zhǔn)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(shí)鐘頻率來改變SD卡的讀寫速率，并且測(cè)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(xiàn)
［1］ SD Group. SD specifications part1: physical layer simplified specification version 2.0［Z］.2006.
［2］ ALTERA. NIOS II processor Reference Handbook［Z］.2014.
［3］ 蔡偉剛. NIOS II 軟件架構(gòu)解析［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2007.
［4］ 陳續(xù),鄧中亮.基于NIOS II的SD卡驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2010，18(5)：107-110.