基于Nios II 軟核處理器的SD卡接口設(shè)計(jì)

接著要對選中的Nios標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核進(jìn)行配置，這里要考慮的問題是如何如何分配片內(nèi)存儲器和片外存儲器的使用。片內(nèi)存儲器的資源是很寶貴的，所以要先確定系統(tǒng)運(yùn)行所需要的片內(nèi)ROM或RAM,在滿足性能的條件下，盡可能使用較少的片內(nèi)存儲器。

對于一個(gè)實(shí)際的系統(tǒng)，光有片內(nèi)存儲器一般是不夠的，尤其是考慮到要進(jìn)行嵌入式操作系統(tǒng)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(shè)備連接。外部存儲器件的類型包括SRAM、SDRAM、DDR2、Flash等，外部設(shè)備包括UART串行口等。本設(shè)計(jì)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(shù)字量。Nios II所采用的時(shí)鐘和FPGA 的時(shí)鐘密切相關(guān)，一般是通過鎖相環(huán)PLL 把外部輸入的時(shí)鐘進(jìn)行倍頻之后再送給Nios II來作為主頻使用，同時(shí)外部設(shè)備也使用時(shí)鐘信號。外部時(shí)鐘信號為25MHz,而經(jīng)過倍頻后為50MHz.

至此，主要的配置過程就結(jié)束了。但是還是需要配置如下部分：

（1） 分配存儲器和外部設(shè)備的基地址和中斷請求優(yōu)先級；

（2） 設(shè)定NiosII處理器的啟動(dòng)地址，本設(shè)計(jì)把片內(nèi)存儲器設(shè)定為Nios II的啟動(dòng)地址。

（3） 在生成NiosⅡ系統(tǒng)時(shí)，可以選擇生成Verilog語言還是VHDL 語言，本設(shè)計(jì)采用VHDL語言進(jìn)行設(shè)計(jì)；

（4） 最后生成的qsf文件，相當(dāng)于整個(gè)工程的文件，但是關(guān)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(gè)NiosⅡ系統(tǒng)，在Altera 提供的開發(fā)環(huán)境Quartus II 中進(jìn)行編譯。頂層設(shè)計(jì)文件可以使VHDL 也可以是原理圖的形式。

（6） 采用JATG口進(jìn)行下載，把生成的的SOF文件下載到FPGA里。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Altera公司為了用戶方便使用Nios II來快速研制產(chǎn)品，提供了功能強(qiáng)大、易于使用的Nios II集成開發(fā)環(huán)境，與一般的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)比較類似。在生成NiosII的過程中已經(jīng)自動(dòng)生成了需要使用的頭文件（一般是C語言的頭文件），同時(shí)一般外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序也可以生成。對于嵌入式操作系統(tǒng)，可以使用用戶自己裁剪的ucLinux內(nèi)核也可以使用Altera提供的操作系統(tǒng)內(nèi)核。本設(shè)計(jì)使用Altera公司提供的Nios II 9.0版本的開發(fā)環(huán)境。

2.1 SD卡初始化

在對SD 卡進(jìn)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(shù)主要完成以下工作：

（1） 微處理器（這里指Nios II）復(fù)位SD卡，激活SD卡內(nèi)部控制電路進(jìn)行初始化處理，使SD卡進(jìn)入SPI 模式；

（2） 發(fā)送命令查詢SD卡是否支持3.3V供電；

（3） 調(diào)整SPI時(shí)鐘頻率；

（4） 根據(jù)編譯選項(xiàng)使能或者禁止通信過程中的CRC校驗(yàn)；

（5） 設(shè)置用于讀/寫操作的塊數(shù)據(jù)長度；

（6） 最后是初始化全局變量sds.

SD卡初始化函數(shù)INTSU SD_Initialize（viod）就是用于完成以上任務(wù)的，它讀取SD卡內(nèi)部CSD寄存器，然后對全局變量sds進(jìn)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(shù)量；SD卡的最大數(shù)據(jù)塊的長度；一次可擦除的塊數(shù)量；卡的讀取、寫入、擦除操作的超時(shí)時(shí)間。

SD卡讀/寫軟件包中定義了一個(gè)全局變量sds,軟件包的很多地方使用了這個(gè)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(shù)SD_Initialixe（）已經(jīng)調(diào)用SD_SetBlockLen（）函數(shù)設(shè)定了讀/寫數(shù)據(jù)的長度為SD_BLOCKSIZE 字節(jié)，所以卡初始化以后，讀寫都必須以塊為單位。

3 SD卡驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

Nios II軟件架構(gòu)是建立在HAL（Hardware Abstraction Layer）基礎(chǔ)之上的。HAL為Nios II的軟件開發(fā)者提供了操作底層硬件的編程接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)程序的編制一般要使用HAL提供的API函數(shù)以及C標(biāo)準(zhǔn)庫等。HAL提供的功能以及它與底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之間的關(guān)系如圖3所示，這種模塊化的設(shè)計(jì)架構(gòu)可以加速應(yīng)用程序的開發(fā)。使用這種分層的體系架構(gòu)，HAL層把應(yīng)用程序和底層硬件驅(qū)動(dòng)程序之間隔離開來，使得應(yīng)用程序的開發(fā)不依賴于底層HAL和硬件的變化，增加了應(yīng)用程序的可移植性。設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)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(tǒng)連接起來。在編制好SD卡的驅(qū)動(dòng)程序后，在應(yīng)用程序中操作SD卡就簡單了。所以編制SD卡的驅(qū)動(dòng)在本設(shè)計(jì)中是重要的一部分。

圖3 基于HAL的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

結(jié)束語

本文基于Nios II實(shí)現(xiàn)了對于SD卡的控制，不僅包括硬件設(shè)計(jì)還包括系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于硬核處理器的架構(gòu)，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)受到了限制。SOPC的設(shè)計(jì)思想使得片上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加靈活，硬件設(shè)計(jì)的限制因素基本不存在了。在一個(gè)FPGA的芯片上幾乎可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)整個(gè)系統(tǒng)，對于系統(tǒng)的小型化的作用是顯著的。本文對基于NiosⅡ的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(fā)平臺。另外本文在此平臺之上，移植了嵌入式操作系統(tǒng)，并在此環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了SD卡的接口設(shè)計(jì)，因此包括了整個(gè)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中，分析了Nios II 的Avalon總線的系統(tǒng)架構(gòu)、SD 卡的通信協(xié)議。