鄧中亮，陳 續(xù)

（北京郵電大學(xué) 電 子工程學(xué)院，北京100876）

近年來(lái)，基于FPGA的軟核處理器以其高度的設(shè)計(jì)靈活性和低成本在嵌入式市場(chǎng)中得到重視并不斷發(fā)展。其中具有代表性的軟核處理器有Altera的NiosⅡ處理器和Xilinx的MicroBlaze處理器。NiosⅡ處理器具有完全的可定制性，包括處理器的定制，外設(shè)的定制和接口的定制等；32位的NiosⅡ處理器具有超過(guò)200 DIMP的性能，而其成本只有同級(jí)別性能ARM處理器的1/10。此外，SD存儲(chǔ)卡以其大容量和小尺寸的特點(diǎn)，成為市面上各種嵌入式消費(fèi)產(chǎn)品最常見(jiàn)的存儲(chǔ)媒介，探討SD卡設(shè)備的設(shè)計(jì)具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。這里將結(jié)合NiosⅡ處理器的總線(xiàn)架構(gòu)，分析SD卡的接口協(xié)議和驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)方法，并給出SD卡設(shè)備在NiosⅡ處理器的設(shè)計(jì)實(shí)例。

1 NiosⅡ處理器的Avalon總線(xiàn)架構(gòu)

Nios和NiosⅡ都使用了Avalon總線(xiàn)，這是一種交換式架構(gòu)的片內(nèi)總線(xiàn)。該總線(xiàn)形式和PCI、ISA等板間互連總線(xiàn)的最大區(qū)別在于：其主從設(shè)備之間有緊密耦合關(guān)系。Avalon總線(xiàn)架構(gòu)中，由硬件設(shè)計(jì)人員通過(guò)SOPC Builder規(guī)定互連的主從設(shè)備（包括數(shù)據(jù)、控制信號(hào)、片選、地址的互連），不連接的設(shè)備之間是互相看不到的。每個(gè)Avalon主設(shè)備端有多路復(fù)用器，用來(lái)從多個(gè)從設(shè)備的數(shù)據(jù)總線(xiàn)中選擇當(dāng)前要訪(fǎng)問(wèn)的數(shù)據(jù)[1]。圖1為Avalon總線(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 Avalon總線(xiàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

Avalon接口用于提供描述主外設(shè)和從外設(shè)中基于地址讀/寫(xiě)接口的基礎(chǔ)，例如，微控制器、存儲(chǔ)器、UART及定時(shí)器等。接口規(guī)范定義了外設(shè)和Avalon開(kāi)關(guān)互聯(lián)結(jié)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)傳輸。在沒(méi)有主或從接口限制的情況下，規(guī)范的互聯(lián)策略允許任何主外設(shè)連接到任何從外設(shè)；Avalon接口描述了一個(gè)可配置的互聯(lián)策略，允許外設(shè)的設(shè)計(jì)者限制某種特定傳輸所需的信號(hào)類(lèi)型。

Avalon定義了5種傳輸方式：從端口傳輸、主端口傳輸、流水線(xiàn)讀傳輸、流傳輸控制和三態(tài)傳輸。這里僅分析SD卡設(shè)備所使用的從端口傳輸方式。

1.1 從設(shè)備信號(hào)

從設(shè)備信號(hào)是與主設(shè)備相連接的一組信號(hào)端口，這里所針對(duì)的SD卡設(shè)備的Avalon從端口需定義的信號(hào)端口如表1所列。

表1所列出的從設(shè)備信號(hào)只是這里所針對(duì)的SD卡設(shè)備所需要的信號(hào)，并不是從設(shè)備所支持的所有信號(hào)。對(duì)于其他從設(shè)備可根據(jù)其自身特點(diǎn)及需要來(lái)選擇相應(yīng)的信號(hào)接口。

表1 從端口信號(hào)

1.2 從端口讀/寫(xiě)傳輸

從端口讀傳輸是主設(shè)備通過(guò)SD卡控制器對(duì)SD卡進(jìn)行讀取的操作，即讀取SD卡的數(shù)據(jù)；從端口寫(xiě)傳輸是主設(shè)備通過(guò)SD卡控制器對(duì)SD卡進(jìn)行寫(xiě)操作，即對(duì)SD卡寫(xiě)入數(shù)據(jù)。圖2為從端口讀/寫(xiě)信號(hào)時(shí)序。

圖2 從端口讀/寫(xiě)信號(hào)時(shí)序

從端口讀傳輸時(shí)，在時(shí)鐘上升沿開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，并在下一個(gè)時(shí)鐘上升沿完成傳輸。在clk的第1個(gè)上升沿，system interconnect fabric配合read、begintransfer信號(hào)將有效的address，byteenable和read信號(hào)傳輸給從端口，且system interconnect fabric在內(nèi)部將address譯碼，產(chǎn)生并驅(qū)動(dòng)從端口的chipselect信號(hào)。chipselect信號(hào)一旦有效，則從端口立即驅(qū)動(dòng)readdata。system interconnect fabric則在下一個(gè)clk上升沿捕獲readdata。

從端口寫(xiě)傳輸是由system interconnect fabric發(fā)起的。它向從端口傳輸1個(gè)單元的數(shù)據(jù)，且在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。system interconnect fabric配合write、begintransfer信號(hào)提供address，writedata，byteenable和write。systeminterconnect fabric不對(duì)address進(jìn)行譯碼，驅(qū)動(dòng)chipselect，并使其有效。從端口在下一個(gè)時(shí)鐘的上升沿捕獲地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)，并完成寫(xiě)傳輸。

從端口的讀寫(xiě)時(shí)序是通過(guò)SD卡控制器完成的，而SD卡的控制器是以NiosⅡ軟核處理器外設(shè)的形式與處理器相連接的，其關(guān)系如圖3所示[2]。

圖3 SD卡設(shè)備總體架構(gòu)

2 SD卡的接口協(xié)議分析

SD卡即可靠數(shù)字存儲(chǔ)卡（Secure Digital Memory Card），是為滿(mǎn)足消費(fèi)電子類(lèi)產(chǎn)品對(duì)安全、容量、性能等有特殊要求的環(huán)境而設(shè)計(jì)的。SD卡定義了SD和SPI這2種可選擇的總線(xiàn)協(xié)議。這里研究的是SPI協(xié)議下的SD卡設(shè)備開(kāi)發(fā)。SPI是面向字節(jié)的傳輸，SPI的命令和數(shù)據(jù)塊都是以8個(gè)比特為單位進(jìn)行分組的。SPI的信息分為控制幀、反饋幀和數(shù)據(jù)幀，所有的SPI信息都是建立在命令、應(yīng)答和數(shù)據(jù)端口標(biāo)記上的。所有主機(jī)和卡之間的通信都由主機(jī)控制，主機(jī)通過(guò)拉低CS信號(hào)開(kāi)始一個(gè)總線(xiàn)事務(wù)[3]。

SPI模式下，SD卡可支持單個(gè)塊和多個(gè)塊的讀/寫(xiě)操作，在接收到一個(gè)合法的讀取命令后，這個(gè)SD卡可將用一個(gè)應(yīng)答標(biāo)志來(lái)應(yīng)答響應(yīng)，隨后的就是一個(gè)數(shù)據(jù)塊。在接收到一個(gè)合法的寫(xiě)指令時(shí)，SD卡將響應(yīng)一個(gè)應(yīng)答標(biāo)記，并等待主控制器發(fā)送這個(gè)數(shù)據(jù)塊。

圖4為單個(gè)塊數(shù)據(jù)的讀取操作，圖5為單個(gè)塊數(shù)據(jù)的寫(xiě)入操作。

圖4 單個(gè)塊數(shù)據(jù)的讀取操作

圖5 單個(gè)塊數(shù)據(jù)的寫(xiě)入操作

3 SD卡驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

NiosⅡ軟件架構(gòu)是建立在硬件抽象層HAL（Hardware Abstraction Layer）之上的，HAL為Nios軟件開(kāi)發(fā)者提供了編程接口、底層的設(shè)備驅(qū)動(dòng)、HAL API以及C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)等資源[4]。HAL系統(tǒng)庫(kù)為Nios軟件設(shè)計(jì)人員提供了應(yīng)用程序與底層硬件交互的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口，大大簡(jiǎn)化了應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)。同時(shí)，HAL系統(tǒng)庫(kù)還為應(yīng)用程序與底層硬件驅(qū)動(dòng)劃分了一條很清晰的分界線(xiàn)，從而大大提高了應(yīng)用程序的復(fù)用性，使得應(yīng)用程序不受底層硬件變化的影響[5]。基于HAL的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 基于HAL的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

SD卡設(shè)備屬于字符模型設(shè)備，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)收集一系列用于響應(yīng)HAL文件系統(tǒng)訪(fǎng)問(wèn)操作的函數(shù)指針，函數(shù)實(shí)體由設(shè)備驅(qū)動(dòng)定義。SD卡設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

其中，dev指向當(dāng)前字符模式設(shè)備的alt_dev數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)例；fd_flags代表傳遞給open（）函數(shù)的操作選項(xiàng)參數(shù)；priv為當(dāng)前HAL系統(tǒng)代碼并未使用該變量。llist代表設(shè)備的節(jié)點(diǎn)，具有previous和next兩個(gè)域，分別指向之前和之后注冊(cè)的設(shè)備，這樣系統(tǒng)中的所有已注冊(cè)設(shè)備就形成一個(gè)設(shè)備鏈，供HAL操作系統(tǒng)內(nèi)部使用。name即system．h中定義的設(shè)備名，表示HAL文件系統(tǒng)的一個(gè)裝載點(diǎn)[6]。

其設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義為：

在NiosⅡ中，其SD卡的驅(qū)動(dòng)函數(shù)具體定義為：

以下給出SPI寫(xiě)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵代碼：

4 結(jié)論

基于NiosⅡ軟核處理器的設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案具有良好的穩(wěn)定性和設(shè)計(jì)靈活性，可以真正按照設(shè)計(jì)者的需要設(shè)計(jì)每個(gè)細(xì)節(jié)，使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔明朗，便于移植和進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)工作。這里通過(guò)分析NiosⅡ處理器的總線(xiàn)架構(gòu)、SD卡的接口協(xié)議，給出SD卡設(shè)備在NiosⅡ處理器的設(shè)計(jì)實(shí)例，具有通用的意義。

[1]王曉迪，張景秀.SOPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[2]EI Camino GmbH.SD/MMC SPI core with avalon interface[DB/OL].（2008）.http://www.elcamino.com.

[3]王黎明，陳雙嬌，閆曉玲，等.ARM9嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[4]Altera Corporation.Overview of the hardware abstraction layer,NiosⅡsoftware developer's handbook[DB/OL].（2009）.http://www.altera.com.

[5]蔡偉剛.NiosⅡ軟件架構(gòu)解析[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[6]Altera Corporation.Avalon interface specifications[DB/OL].（2009）.http://www.altera.com.