基于NiosⅡ处理器的总线架构的SD卡设计

SD存储卡以其大容量和小尺寸的特点，成为市面上各种嵌入式消费产品最常见的存储媒介，探讨SD卡设备的设计具有广泛的应用价值。这里将结合NiosⅡ处理器的总线架构，分析SD卡的接口协议和驱动程序设计方法，并给出SD卡设备在NiosⅡ处理器的设计实例。
   　　1 NiOSⅡ处理器的Avalon总线架构
   　　Nios和NiosⅡ都使用了Avalon总线，这是一种交换式架构的片内总线。该总线形式和PCI、ISA等板间互连总线的最大区别在于：其主从设备之间有紧密耦合关系。Avalon总线架构中，由硬件设计人员通过SOPC Builder规定互连的主从设备(包括数据、控制信号、片选、地址的互连)，不连接的设备之间是互相看不到的。每个Avalon主设备端有多路复用器，用来从多个从设备的数据总线中选择当前要访问的数据。图l为Avalon总线系统结构。
   
   　　Avalon接口用于提供描述主外设和从外设中基于地址读／写接口的基础，例如，微控制器、存储器、UART及定时器等。接口规范定义了外设和Avalon开关互联结构之间的数据传输。在没有主或从接口限制的情况下，规范的互联策略允许任何主外设连接到任何从外设；Avalon接口描述了一个可配置的互联策略，允许外设的设计者限制某种特定传输所需的信号类型。
   　　Avalon定义了5种传输方式：从端口传输、主端口传输、流水线读传输、流传输控制和三态传输。这里仅分析SD卡设备所使用的从端口传输方式。
   　　1．1 从设备信号
   　　从设备信号是与主设备相连接的一组信号端口，这里所针对的SD卡设备的Avalon从端口需定义的信号端口如表1所列。
   
   　　表l所列出的从设备信号只是这里所针对的SD卡设备所需要的信号，并不是从设备所支持的所有信号。对于其他从设备可根据其自身特点及需要来选择相应的信号接口。
   　　1．2 从端口读／写传输
   　　从端口读传输是主设备通过SD卡控制器对SD卡进行读取的操作，即读取SD卡的数据；从端口写传输是主设备通过SD卡控制器对SD卡进行写操作，即对SD卡写入数据。图2为从端口读／写信号时序。
   
   　　从端口读传输时，在时钟上升沿开始传输数据，并在下一个时钟上升沿完成传输。在clk的第1个上升沿，systeminterconnect fabric配合read、begintransfer信号将有效的address，byteenable和read信号传输给从端口，且system interconnect fabric在内部将address译码，产生并驱动从端口的chipselect信号。chipselect信号一旦有效，则从端口立即驱动readdata。system interconnect fabric则在下一个clk上升沿捕获readdata。
   　　从端口写传输是由system interconnect fabric发起的。它向从端口传输1个单元的数据，且在1个时钟周期内完成。system intercon-nect fabric配合write、begintransfer信号提供address，writedata，byteenable和write。system interconnectfabric不对address进行译码，驱动chipselect，并使其有效。从端口在下一个时钟的上升沿捕获地址、数据和控制信号，并完成写传输。
   　　从端口的读写时序是通过SD卡控制器完成的，而SD卡的控制器是以NiosⅡ软核处理器外设的形式与处理器相连接的。其关系如图3所示。
   
   　　2 SD卡的接口协议分析
   　　SD卡即可靠数字存储卡(Seeure Digital Memory Card)，是为满足消费电子类产品对安全、容量、性能等有特殊要求的环境而设计的。  SD卡定义了SD和SPI这2种可选择的总线协议。这里研究的是SPI协议下的SD卡设备开发。SPI是面向字节的传输，SPI的命令和数据块都是以8个比特为单位进行分组的。SPI的信息分为控制帧、反馈帧和数据帧，所有的SPI信息都是建立在命令、应答和数据端口标记上的。所有主机和卡之间的通信都由主机控制，主机通过拉低CS信号开始一个总线事务。
   　　SPI模式下，SD卡可支持单个块和多个块的读／写操作，在接收到一个合法的读取命令后，这个SD卡可将用一个应答标志来应答响应，随后的就是一个数据块。在接收到一个合法的写指令时，SD卡将响应一个应答标记，并等待主控制器发送这个数据块。图4为单个块数据的读取操作，图5为单个块数据的写入操作。
   
   3 SD卡驱动设计
   　　NiosⅡ软件架构是建立在硬件抽象层HAL(Hardware AbstracTIon Layer)之上的，HAL为Nios软件开发者提供了编程接口、底层的设备驱动、HAL API以及C标准库等资源。
   　　HAL系统库为Nios软件设计人员提供了应用程序与底层硬件交互的设备驱动接口，大大简化了应用程序的开发。同时，HAL系统库还为应用程序与底层硬件驱动划分了一条很清晰的分界线，从而大大提高了应用程序的复用性，使得应用程序不受底层硬件变化的影响。基于HAL的系统层次结构如图6所示。
   
   　　SD卡设备属于字符模型设备，其数据结构负责收集一系列用于响应HAL文件系统访问操作的函数指针，函数实体由设备驱动定义。SD卡设备的数据结构如下：
   
   　　其中，dev指向当前字符模式设备的alt_dev数据结构实例；fd_flags代表传递给open()函数的操作选项参数；priv为当前HAL系统代码并未使用该变量。llist代表设备的节点，具有previous和next两个域，分别指向之前和之后注册的设备，这样系统中的所有已注册设备就形成一个设备链，供HAL操作系统内部使用。name即system．h中定义的设备名，表示HAL文件系统的一个装载点。
   　　其设备的数据结构定义为：
   
   　　在NiosII中，其SD卡的驱动函数具体定义为：
   
   　　以下给出SPI写数据的关键代码：
   
   　　4 结论
   　　基于NiosⅡ软核处理器的设备驱动设计方案具有良好的稳定性和设计灵活性，可以真正按照设计者的需要设计每个细节，使系统整体结构简洁明朗，便于移植和进行二次开发工作。这里通过分析NiosⅡ处理器的总线架构、SD卡的接口协议，给出SD卡设备在NiosⅡ处理器的设计实例，具有通用的意义。