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(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)存儲速度可調的SD卡FAT文件系統(tǒng)［J］.微型機與應用，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)在設計的時候可以根據(jù)不同的需求來增減外設的種類和數(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備，以備數(shù)據(jù)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(tǒng)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(tǒng)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(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軟核的構建

　　1.1SOPC系統(tǒng)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(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來調試程序，打印程序的執(zhí)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(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(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(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)送應答機制，每發(fā)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(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)送命令和接收應答的相關時序。

　　2.3軟件模擬速度可調的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右側是寫一個字節(jié)的函數(shù)，這個函數(shù)可以通過調節(jié)usleep(u32 nus)函數(shù)中的參數(shù)來調整SCLK的速度，從而達到了SPI寫一個字節(jié)速度可調的目的。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)不同的應答值檢查SD卡；最后初始化結束之后，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(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，經過JTAG_UART的打印，可以看出是符合預期目標的，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。使用者無需去關心FATFS內部復雜的協(xié)議，只需要像調用其提供的其他一系列應用接口函數(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備是哪一類，所以需要用戶自己提供相應的底層操作函數(shù)。在diskio.c文件里面，F(xiàn)ATFS已經提供了函數(shù)接口，只需要根據(jù)自己的存儲設備類型，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，首先調用FATFS提供的接口函數(shù)f_getfree來測試SD卡的總容量和剩余容量，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(chuàng)建的文件。本文所用SD卡容量為4 GB，調用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(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

　　［1］ SD Group. SD specifications part1: physical layer simplified specification version 2.0［Z］.2006.

　?。?］ ALTERA. NIOS II processor Reference Handbook［Z］.2014.

　　［3］ 蔡偉剛. NIOS II 軟件架構解析［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2007.

　?。?］ 陳續(xù),鄧中亮.基于NIOS II的SD卡驅動程序開發(fā)［J］.電子設計工程，2010，18(5)：107-110.