基于Avalon总线的SD卡读写控制器的设计

0 引言
    当前，人们对大数据量的高速存取需求越来越高。SD卡作为新一代数据存储设备，具有大容量，高速度的特点，很好地满足了市场的具体需求，被广泛用于便携式消费类电子设备，例如手机，数码相机、PDA和各种多媒体播放器等。在工业控制领域，同样有大量数据需要采集，存储，分析。而传统用MCU的GPIO模拟SD卡的时序实现读／写调试复杂、读／写速度慢，已经不能符合大多数应用的需求。利用FPGA自身高速并行的特点，开发一种SD卡读写控制器的IP核，不但可以提高性能，而且可以简单实现IP复用，大大提高开发效率，降低成本，具有极大的应用前景。
    可编程的片上系统(System on Programmable Chip，SoPC)最先由Altera公司提出，它将尽可能大而完整的电子系统，主要包括NiosⅡ嵌入式处理器、各种硬件接口、数字信号处理系统、普通数字电路逻辑在单一FPGA芯片中实现。SoPC系统中的各个外设通过Avalon总线相连，可简单实现IP复用，因此，系统在开发周期、体积、功耗、功能、产品升级维护等多方面实现最优化，逐渐成为电子产品设计的趋势。

1 Avalon总线简介
    Avalon总线是Altera公司专门为SoPC系统指定的一套总线标准，它定义了主从端口对之间通信的信号类型和时序关系。在结构上不同于传统的共享式总线：它在需要连接的每一个主从端口对之间都有点到点的连接，不同的主从端口对之间可以同时进行通信，所以大大提高了系统的性能。Altera一直在致力于为Avalon总线添加一些极其有用高级特性，简化系统设计的同时提高系统的性能。Avalon总线标准也在不断的升级完善，现在已经包含Avalon-MM接口规范和Aval-on-ST接口规范。
    在Avalon总线接口的设计中，SoPC Builder提供了直观的图形用户界面，设计人员可以很方便地添加自定义外设，SoPC Builder将自定义外设和其他组件组合起来，生成对这些组件进行例化的单个系统模块，并且自动生成内部总线逻辑，按照设计人员的要求将这些外设与NiosⅡ处理器连接起来，并自动完成外设和存储器的地址映射、中断控制和总线控制等工作。本文主要阐述了SD卡读／写控制器的AvaIon-MM总线接口和SD卡读／写控制逻辑的设计，以圾NiosⅡIDE中读／写控制程序的编写。

2 SD卡的一般读／写过程
    SD卡有两种读／写访问模式：SD模式和SPI模式，其中SD模式又分为1 b和4 b两种。由于DE2开发平台硬件上的原因，该设计采用的是1 b的SD模式实现SD卡的读／写。SD卡在上电初期，卡主控通过检测引脚1(DAT3)的电平来决定使用SD模式还是SPI模式。
    SD总线上命令和数据的传输从一个起始位开始，以停止位终止。每个时钟周期传输一个命令或数据位。控制器通过CMD信号线发送命令到SD卡，用于对SD卡进行相应的操作，SD卡接收到命令后，会发送相对应的响应给控制器，这些响应中包含了SD卡的一些基本信息和状态信息等。SD卡初始化完成后，进入数据传输阶段，则可以进行读／写操作。为了避免命令，数据和响应传输的错误，SD规范中采用了CRC技术，在传输命令和响应时，需要进行CRC7效验，而在传输数据时，则需要进行CRC16效验。该控制器主要采用SD的CLK，CMD，DAT0三根信号线完成SD卡的读／写。

3 SD卡读写控制器总体工作过程
    该控制器采用Verilog HDL语言编写，在SD卡就绪后，NiosⅡ处理器先向Avalon-MM Slave端口设置相关寄存器。状态控制逻辑根据寄存器中的相关位发送命令到读／写控制逻辑，再由读／写控制逻辑发送相应的命令到SD卡。命令在时钟信号CLK的上升沿经过CRC7校验后通过CMD信号线串行写入SD卡。SD规范中定义了很多命令，但这里仅用到了常用的10个命令就实现了读／写控制的功能，命令都要按一定格式顺序发送到SD卡，命令编号占6 b，每个命令必须填充开始标志，命令的参数以及CRC7校验数据以及结束标志，发送1个完整的命令需要写入48b。
    SD卡在接收到命令后，会根据写入的命令执行相应的操作，并发送相应的Response给控制器，其中Re-sponse也分为几种，包含长响应和短响应，Response中的数据包含了卡的一些基本信息以及命令的执行情况等。控制器根据返回的状态的信息决定下一步操作，即发送下一个命令。控制器内部总体结构如图1所示。

    控制器上电后自动进行初始化，将SD卡的状态保存到状态寄存器中，在进行读／写前，应先读取SD卡的状态信息，在SD卡进入了读／写就绪状态后，即可向Avalon-MM Slave端口写入读／写控制命令，具体包括要读／写的扇区号，读出数据或写入数据的存放地址。控制器在收到开始读／写命令后，开始读／写指定的扇区，控制器一次性读／写512 B，产生一个读／写完成的中断，即可以开始读／写下一个扇区。进行读操作时，控制器将从SD卡读出的数据通过AvaIon-MM Master端口写入所指定的地址处。进行写操作时，控制器通过Avalon-MM Master端口将指定内存地址处的数据写入SD卡。控制器整个读／写过程无需CPU干预，由Master端口主动完成，CPU仅需写入相关控制命令，大大提高了CPU的利用率。

4 Avalon-MM接口设计
    为了实现数据在Avalon总线上的传输，必须实现Avalon总线相关信号和时序逻辑，主要包括数据、地址、读／写控制、中断、时钟复位等信号。
    Avalon-MM Master端口主要用来将读／写控制逻辑部分读到的数据写入内存，或者将内存中的数据写入读／写控制逻辑，其接口信号如表1所示。

    Avalon-MM SIave端口主要用来接收相关控制命令，即通过这个端口实现控制器内部寄存器的访问，其接口信号如表2所示。

    该控制器内部有6个寄存器，也可以根据需要实现更多，通过软件设置相关寄存器即可进行读／写SD卡的操作，寄存器功能描述如表3所示。

5 系统硬件设计
    为了验证SD卡读写控制器，在DE2开发平台上搭建了最基本的硬件系统，主要包括：NiosⅡ处理器，PLL锁相环，片上RAM，JTAG UART和自定义的SD卡读写控制器。NiosⅡ作为系统主控制器，PLL用来产生SD卡读／写所需的时钟信号，片上RAM用来存储代码和数据，JTAG UART主要用来调试，打印数据到控制台验证写入的数据和读出的数据是否相同。
    硬件系统的建立主要利用Altera公司QuartusⅡ开发工具以及其集成的SoPC Builder完成的，关键在于如何用SoPC Builder将SD卡读写控制器添加到元件列表中。在SoPC Builder提供的图形化的界面下，添加控制器Verilog源程序后，设置控制器中各信号在Avalon-MM总线中的信号类型等，图2即为添加好的SD卡读写控制器。

    图2中，各引脚的描述如下：
    base_clock：控制器输入时钟，该设计采用PLL产生的25MHz时钟信号；
    clk_to_SD：SD卡时钟信号输入；
    cmd_SD：SD卡命令，响应输入／输出信号；
    data_SD：SD卡数据信号。
    根据SD控制器的寄存器映射，在Nios IDE中编写C程序控制SD卡控制器进行读／写操作，下面代码为写SD卡的一段程序，读SD卡的的过程与其类似。

    读／写完一个扇区后，控制器会产生一个中断，此时即可进行下一次读／写操作。由于SD卡读／写有比较复杂的时序要求，命令、响应众多，在设计的初期，采用Modelsim做了各方面的功能仿真，功能仿真完成后采用QuartusⅡ自带的SignalTapⅡ逻辑分析仪来测试
分析内部逻辑的工作状态，SignalTapⅡ使用简单方便，更重要的是可以实时观测内部信号变化，而且可以设置触发条件，大大提高了开发的效率。图3是用SignalTapⅡ逻辑分析仪捕捉到的波形。

    图3中，status_reg为状态寄存器，00000900表明卡已处于就绪状态，control_reg为控制寄存器，00000001H表明已经开始了一次对扇区0的写传输，mread的上升沿即开始了Master端口的读传输，这里的读指的是将内存中buf数组中的数据读入控制器，再由控制器写入SD卡中，waitrequest为等待信号，高电平时无法进行数据传输，waitrequest无效后可以很明显地看到000000DFH由Master端口读入控制器，再由读写控制逻辑写入SD卡。

6 结语
    该设计采用SoPC技术实现了SD卡读写控制器，通过NiosⅡ处理器控制实现了SD卡读／写。由于该控制器根据Avalon接口规范进行开发，可以很方便以IP核的形式集成到其他SoPC系统中，简单实现SD卡的读／写，大大降低了开发成本和难度。本文所设计的SD卡读写控制器还有一大优点就是具有Master端口，可以自主完成数据的读／写，无需CPU的干预，另外采用了中断，降低了响应延时，提高了读／写速率。该设计满足了大部分数据存储需求，适用于工业监测控制，一般消费类电子产品等。