基于SoPC和NIOS Ⅱ的SD卡文件系統的設計與實現

作者：時間：2013-02-22 來源：網絡

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2驅動程序的設計

SD卡處于SPI模式的驅動主要包含有：(1)SPI底層的操作，SPI的命令和數據塊都是以8個比特為單位進行分組和發送的。

(2)關于CMD的操作，主要有SD卡的初始化以及SD卡的讀寫，先發送命令然后再發送CRC校驗。

(3)CRC校驗使用NIOSⅡ來解決這個問題：NIOSⅡ軟件架構建立在硬件抽象層HAL(Hardware AbstractionLayer)之上，HAL為NIOS軟件開發者提供了編程接口、底層的設備驅動、HALAPI、和C標準庫等資源[6]，表1為系統整體的架構示意。

HAL的系統庫為NIOSⅡ軟件設計人員提供了應用程序與底層硬件交互的設備驅動接口，簡化了應用程序的開發。HAL系統庫也為應用程序與底層硬件驅動劃分了一條清晰的分界線，提高了應用程序的復用性，使得應用程序不受底層硬件變化的影響。

SD卡的上電初始化過程可以分成以下5個步驟：(1)適當延時等待SD就緒;(2)發送74+個spi_clk，且保持spi_cs_n=1spi_mosi=1;(3)發送CMD0命令并等待響應R1=8'H01，將卡復位到IDLE;(4)發送CMD1命令并等待響應R1=8'H00，激活卡的初始化進程;(5)發送CMD16命令并等待響應R1=8'H00，設置一次讀寫BLOCK的長度。

SD卡的數據讀取操作也大致可以分為以下步驟：(1)發送命令CMD17;(2)接受讀數據起始令牌0xFE;(3)讀取512B數據以及2B的CRC.借助于NIOSⅡ可以軟件編寫最底層的SPI操作函數來實現上述復雜的步驟：

externINT8USPI_Sendbyte(INT8Udata)

externINT8USPI_Recibyte(void)

上面分別是SPI發送1B以及接收1B，這2個函數的使用需要調用SoPC中的SPI核中的庫函數，然后是SD卡的初始化和讀寫函數：初始化：externintSD_Reset(void);讀一扇區：externintSD_ReadBlock(INT32U blockaddr，INT8U*recibuf);寫一扇區：externintSD_WriteBlock(INT32U blockaddr，INT8U*sendbuf);通過這些代碼，可以一步步的向SD卡發送CMD指令，使其復位，激活成SPI模式，并設置塊大小為512B.

3 文件系統的設計

若讀寫操作都是以扇區為單位，SD卡僅相當于FLASH.為了管理SD卡中的數據，并方便在Windows系統中訪問SD卡中的數據，就必須將SD卡中的數據有效組織起來，以文件的形式進行存儲和訪問，可以給SD卡創建一個文件系統，常見的是微軟公司推出的FAT16和進化版FAT32. FAT存儲原理[7-8]：FAT16由6部分組成，首先是引導扇區(DBR)，引導扇區(DBR)即操作系統引導記錄區，通常占用分區的第0扇區共512B.在512B中，又由跳轉指令、廠商標志、操作系統版本號、BPB、擴展BPB、OS引導程序、結束標志幾部分組成。如圖3所示[9]，根文件夾緊跟著的是FAT表(FAT1，FAT2，FAT2是FAT1的備份)，FAT表是FAT16文件系統用來記錄磁盤數據簇鏈結構的，FAT中磁盤空間按照一定數目的扇區為最單位進行劃分，這種單位稱為簇，一般每扇區分為512B，而簇的大小是2n(n為整數)個扇區，所以簇的大小一般是512B，1KB，2KB，4KB等，一般不超過32KB.以簇為單位的原因是扇區太小，如果用扇區的話對大文件的存取會消耗很多資源，增加FAT表的項數，這樣文件系統的效率就非常低。

引導扇區根文件夾FAT1FAT2其他文件系統本質上就是把上層對文件的操作轉換為底層對數據簇的操作(例如初始化，讀扇區，寫扇區等)。

圖3FAT結構

本文中最底層的2個函數如下：FAT_ReadSector，FAT_WriteSector文件系統目錄的數據結構如下：typedefstruct{charName[8];charExtension[3];charAttribute;charreserved[2];unsignedshortCreateTime;unsignedshortCreateDate;unsignedshortLastAccessDate;unsignedshortLastWriteTime;unsignedshortLastWriteDate;unsignedshortFirstLogicalCluster;unsignedintFileSize;｝FAT_DIRECTORY;對底層函數進行調用的應用層函數有：FAT_Init(初始化函數)

FAT_GetSize(獲取磁盤大小)

FAT_Open_File(打開文件)

FAT_Read_File(讀文件)

FAT_Create_Dir(新建文件夾)

FAT_Create_File(新建文件)

FAT_Dele_File(刪除文件)

有了這些底層函數和API函數后，要對SD卡進行操作只需要在NIOS的頂層main.C文件里面調用這些函數。用軟件的方法完成順序執行的操作，而這正是硬件執行的軟肋。下面列出main函數核心的代碼：while(1){printf(.。。。。。rn);hfat=fat_mount(SD_CARD，0);if(hFat){printf(SD卡加載成功!n);printf(讀取根目錄：n);fat_test(hfat，test.txt);fat_Unmount(hFat);printf(測試完成。重試請按KEY鍵rn);｝else{printf(無法加載SD卡，請仔細檢查是否插入并按KEY鍵重試rn);｝while((IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(KEY_BASE)0x08)==0x08);usleep(300*1000);｝測試：在一張SD卡里存放了一個test.txt文件，插到開發板的SD卡槽里。最后的圖4是NIOS控制臺最終的運行結果，程序正確的顯示出了卡里面的文件夾和文件，以及test.txt里面的文件內容，驗證了本系統可以正確運行。