CN102708075A - 一种sd卡硬件控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种SD卡硬件控制装置及控制方法，属SD卡控制技术领域。该装置由寄存器组、状态机、Avalon主端口、Avalon从端口、CRC7和CRC16校验模块组成，可以控制SD卡每次读写若干扇区，无需CPU的干预。本发明控制方法还提供了相应的FAT16文件系统设计方法，通过编写硬件控制器的驱动函数，构造文件系统操作函数，最终在SD卡上实现FAT16文件系统的操作，使读写后的SD卡可以直接与电脑等其他平台交换文件。本发明大大提高了SD卡读写速度和CPU利用率，方便了对SD卡进行文件管理，只需把数据接口稍加修改，便可移植到别的嵌入式系统中，具有广阔的应用前景。

Description

一种SD卡硬件控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种在Nios Ⅱ嵌入式系统下的SD卡硬件控制装置及控制方法，属SD卡控制技术领域。

背景技术

SD卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，具有大容量、高速度和低功耗等特点，被广泛应用于手机、数码相机等消费类电子设备和工业控制领域，目前越来越多的电子设备提供SD卡扩展接口。在嵌入式系统中，一般是通过软件控制MCU的IO口模拟SD卡的时序，实现SD卡的初始化和读写。此种方式速度较慢，无法满足大数据量传输的要求，严重影响了SD卡的使用效率，且占用太多的MCU资源，阻碍整个系统的性能提高。《电子技术应用》杂志2009年7月第7期38-41页《基于ARM7的SD卡读写控制在数据采集系统中的应用》一文即是采用这种方法实现SD卡的控制。

此外，在嵌入式系统环境下可以很容易地实现SD卡的基本读写操作，但这种情况下的SD卡很难与PC机等其他平台进行数据交换，因此有必要构建SD卡的文件系统。FAT16文件系统实现方便，管理性能好，很适合管理SD卡中的文件。

Nios Ⅱ嵌入式系统属于一种可编程的片上系统（SOPC），它可以在一个FPGA 芯片中实现Nios Ⅱ嵌入式处理器、Avalon系统总线、自定义IP核和各种硬件接口。由于FPGA可以重复编程，且可以构建各种硬件功能模块，因此，这种嵌入式系统开发周期短，功耗低，功能易于扩展，在各领域得到迅速推广。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述技术中的不足，在可配置的Nios Ⅱ嵌入式系统平台上，提供了一种SD卡硬件控制装置及控制方法，以有效提高SD卡的初始化和读写速度，实现对SD卡文件的有效管理，方便SD卡和各种平台的数据交换。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种SD卡硬件控制装置，包括Avalon主端口、Avalon从端口、寄存器组、CRC7校验模块、CRC16校验模块和状态机，其特征在于寄存器组包括状态移位寄存器、控制寄存器、中断使能寄存器、内存地址寄存器和数据移位寄存器，Avalon主端口和寄存器组中的数据移位寄存器相连接；Avalon从端口分别和寄存器组中的状态移位寄存器、控制寄存器、中断使能寄存器及内存地址寄存器相连接；CRC7校验模块分别和寄存器组中的状态移位寄存器和控制寄存器相连接；CRC16校验模块和寄存器组中的数据移位寄存器相连接；状态机分别和寄存器组、CRC7校验模块及CRC16校验模块相连接；Avalon主端口和外部的SDRAM控制器相连接；Avalon从端口和外部的Nios Ⅱ处理器相连接；SD卡硬件控制装置通过数据线、控制线和SD卡相连接。

上述的状态机是一个状态控制器，它是由Verilog语言编写，一般称为状态机，作为模块烧写到FPGA中，实现预期的功能。

本发明SD卡硬件控制装置由Verilog硬件描述语言设计，可以方便地挂接在Nios Ⅱ嵌入式系统的Avalon总线上，从而有效控制系统中的SD卡，实现SD卡的大数据量吞吐。该装置控制SD卡工作在SD模式，各部分的功能如下：

Avalon主端口：发起一次数据传输，实现SD卡与外设内存的数据交互。

Avalon从端口：实现Nios Ⅱ处理器对SD卡硬件控制装置的控制，接收来自处理器的控制信号。

寄存器组：该装置的驱动程序通过操作寄存器组与硬件通信，实现SD卡的初始化和读写操作。状态寄存器具有移位功能，可以寄存SD卡返回的状态信息，数据寄存器也具有移位功能，从而实现数据的发送和接收。

状态机，实现SD卡硬件控制装置内部的状态控制，使得该装置可以按顺序对SD卡上电复位，发送控制命令，接收响应以及读写SD卡。

CRC7校验模块，实现对SD卡控制命令的校验。

CRC16校验模块，实现对传输的SD卡数据块的校验。

在该装置内部，Avalon主端口与数据移位寄存器通过数据连接线进行双向的数据传输，Avalon从端口与其他寄存器相连，实现处理器与SD卡控制器的通信。最后，数据移位寄存器连接到CRC16校验模块，完成数据块的校验，控制寄存器连接到CRC7校验模块进行控制命令的校验。这些模块都在状态机的有效控制下，完成对SD卡的初始化，发送控制命令，接收应答响应和读写SD卡。状态机实现所有的SD卡命令索引、响应分析及对发送和接收数据通道的控制。该装置是基于Nios Ⅱ嵌入式系统设计的，因此它还需连接一些外部硬件，与其相连的外部硬件的功能如下：

Nios Ⅱ处理器：发起对SD卡的初始化和读写操作，实现对SD卡硬件控制装置的控制。

SDRAM控制器：控制外接的SDRAM，以便存储从SD卡读出或将要写入SD卡的数据。

SD卡：即是本装置控制的对象。

一种上述SD卡硬件控制装置对SD卡进行控制的方法，步骤如下：

（1）在Nios ⅡIDE开发环境下编写SD卡硬件控制装置的设备驱动函数，设备驱动函数通过对寄存器映像的操作实现与硬件控制装置的通信，完成对SD卡的初始化和读写操作，这些设备驱动函数包括file_list，cluster_search，read_SD，write_SD函数；

（2）根据上一步编写的设备驱动函数，构造出SD卡FAT16文件系统的API函数，为应用层的开发提供标准的API函数接口，这些API函数包括f_mount，f_open，f_write，f_read，f_delete函数；

（3）调用上一步构造的API函数，即能在SD卡中创建文件、读写文件及删除文件，完成对SD卡中FAT16文件的操作，通过FAT16文件系统读写本发明装置中的SD卡就像在电脑上读写SD卡一样方便，并能使SD卡直接与电脑的操作系统交换文件；

（4）对硬件系统上电复位，包括对SD卡进行初始化，使SD卡进入工作状态；

（5）NiosⅡ处理器将要读写的扇区号、读写的方式、内存的起始地址以及要读写的扇区个数信息发送给SD卡硬件控制装置，该装置将其转换为符合SD卡物理层标准的SD卡命令格式并送到SD卡；

（6）SD卡硬件控制装置接收SD卡返回的应答信号，将有效信息寄存到状态寄存器中，Nios Ⅱ处理器通过Avalon从端口读取这些信息，从而获知SD卡的状态；

（7）启动SD卡的读写，此时读写由Avalon主端口控制，读写过程在SD卡和SDRAM之间进行，无需Nios Ⅱ处理器的干预，有效提高了处理器的工作效率，增大了SD卡数据吞吐率：

a.首先读取SD卡的FAT表和FDT表，将非空目录项组成一个链表，通过遍历链表得到根目录下所有文件和文件夹信息；

b.读取文件时先从FDT表中获取该文件起始簇号信息，然后根据FAT表得到文件的簇链；

c.由此簇链找到文件的对应扇区；

d.读取这些扇区的内容即是文件的内容，写入文件的方法与此类似；

（8）判断读写是否完成，是则结束任务，否则转入步骤（5）。

上述步骤（1）中设备驱动函数中的file_list函数、cluster_search函数、read_SD函数及write_SD函数是通用的公知函数。

上述步骤（2）中API函数中的f_mount函数、f_open函数、f_write函数、f_read函数及f_delete函数是通用的公知函数。

本发明的SD卡硬件控制装置在读写SD卡时只需软件发起读写，之后无需处理器的控制，全由硬件控制，有效提高了SD卡数据读写速度和嵌入式处理器的工作效率。本发明的SD卡硬件控制装置的控制方法设计了与该装置匹配的FAT16文件系统，完善了SD卡文件管理功能，提高了SD卡的使用效能。该装置和方法具有很强的兼容性，可以很容易移植到各种嵌入式系统中，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明装置SD卡硬件控制装置的结构示意图。

图2是上述SD卡硬件控制装置的控制方法的流程框图；其中（1）-（8）为其各个步骤。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

本发明实施例1如图1所示，一种SD卡硬件控制装置，包括Avalon主端口、Avalon从端口、寄存器组、CRC7校验模块、CRC16校验模块和状态机，其特征在于寄存器组包括状态移位寄存器、控制寄存器、中断使能寄存器、内存地址寄存器和数据移位寄存器，Avalon主端口和寄存器组中的数据移位寄存器相连接；Avalon从端口分别和寄存器组中的状态移位寄存器、控制寄存器、中断使能寄存器及内存地址寄存器相连接；CRC7校验模块分别和寄存器组中的状态移位寄存器和控制寄存器相连接；CRC16校验模块和寄存器组中的数据移位寄存器相连接；状态机分别和寄存器组、CRC7校验模块及CRC16校验模块相连接；Avalon主端口和外部的SDRAM控制器相连接；Avalon从端口和外部的Nios Ⅱ处理器相连接；SD卡硬件控制装置通过数据线、控制线和SD卡相连接。

实施例2：

一种上述SD卡硬件控制装置对SD卡进行控制的方法，如图2所示，步骤如下：

（1）在Nios ⅡIDE开发环境下编写SD卡硬件控制装置的设备驱动函数，设备驱动函数通过对寄存器映像的操作实现与硬件控制装置的通信，完成对SD卡的初始化和读写操作，这些设备驱动函数包括file_list，cluster_search，read_SD，write_SD函数；

（2）根据上一步编写的设备驱动函数，构造出SD卡FAT16文件系统的API函数，为应用层的开发提供标准的API函数接口，这些API函数包括f_mount，f_open，f_write，f_read，f_delete函数；

（3）调用上一步构造的API函数，即能在SD卡中创建文件、读写文件及删除文件，完成对SD卡中FAT16文件的操作，通过FAT16文件系统读写本发明装置中的SD卡就像在电脑上读写SD卡一样方便，并能使SD卡直接与电脑的操作系统交换文件；

（4）对硬件系统上电复位，包括对SD卡进行初始化，使SD卡进入工作状态；

（5）Nios Ⅱ处理器将要读写的扇区号、读写的方式、内存的起始地址以及要读写的扇区个数信息发送给SD卡硬件控制装置，该装置将其转换为符合SD卡物理层标准的SD卡命令格式并送到SD卡；

（6）SD卡硬件控制装置接收SD卡返回的应答信号，将有效信息寄存到状态寄存器中，Nios Ⅱ处理器通过Avalon从端口读取这些信息，从而获知SD卡的状态；

（7）启动SD卡的读写，此时读写由Avalon主端口控制，读写过程在SD卡和SDRAM之间进行，无需Nios Ⅱ处理器的干预，有效提高了处理器的工作效率，增大了SD卡数据吞吐率：

a.首先读取SD卡的FAT表和FDT表，将非空目录项组成一个链表，通过遍历链表得到根目录下所有文件和文件夹信息；

b.读取文件时先从FDT表中获取该文件起始簇号信息，然后根据FAT表得到文件的簇链；

c.由此簇链找到文件的对应扇区；

d.读取这些扇区的内容即是文件的内容，写入文件的方法与此类似；

（8）判断读写是否完成，是则结束任务，否则转入步骤（5）。

Claims (2)

1.一种SD卡硬件控制装置，包括Avalon主端口、Avalon从端口、寄存器组、CRC7校验模块、CRC16校验模块和状态机，其特征在于寄存器组包括状态移位寄存器、控制寄存器、中断使能寄存器、内存地址寄存器和数据移位寄存器，Avalon主端口和寄存器组中的数据移位寄存器相连接；Avalon从端口分别和寄存器组中的状态移位寄存器、控制寄存器、中断使能寄存器及内存地址寄存器相连接；CRC7校验模块分别和寄存器组中的状态移位寄存器和控制寄存器相连接；CRC16校验模块和寄存器组中的数据移位寄存器相连接；状态机分别和寄存器组、CRC7校验模块及CRC16校验模块相连接。Avalon主端口和外部的SDRAM控制器相连接；Avalon从端口和外部的Nios Ⅱ处理器相连接；SD卡硬件控制装置通过数据线、控制线和SD卡相连接。

2.一种如权利要求1所述的SD卡硬件控制装置对SD卡进行控制的方法，步骤如下：

（1）在Nios ⅡIDE开发环境下编写SD卡硬件控制装置的设备驱动函数，设备驱动函数通过对寄存器映像的操作实现与硬件控制装置的通信，完成对SD卡的初始化和读写操作，这些设备驱动函数包括file_list，cluster_search，read_SD，write_SD函数；

（2）根据上一步编写的设备驱动函数，构造出SD卡FAT16文件系统的API函数，为应用层的开发提供标准的API函数接口，这些API函数包括f_mount，f_open，f_write，f_read，f_delete函数；

（3）调用上一步构造的API函数，即能在SD卡中创建文件、读写文件及删除文件，完成对SD卡中FAT16文件的操作，并能使SD卡直接与电脑的操作系统交换文件；

（4）对硬件系统上电复位，包括对SD卡进行初始化，使SD卡进入工作状态；

（5）Nios Ⅱ处理器将要读写的扇区号、读写的方式、内存的起始地址以及要读写的扇区个数信息发送给SD卡硬件控制装置，该装置将其转换为符合SD卡物理层标准的SD卡命令格式并送到SD卡；

（6）SD卡硬件控制装置接收SD卡返回的应答信号，将有效信息寄存到状态寄存器中，Nios Ⅱ处理器通过Avalon从端口读取这些信息，从而获知SD卡的状态；

（7）启动SD卡的读写，此时读写由Avalon主端口控制，读写过程在SD卡和SDRAM之间进行：

a.首先读取SD卡的FAT表和FDT表，将非空目录项组成一个链表，通过遍历链表得到根目录下所有文件和文件夹信息；

b.读取文件时先从FDT表中获取该文件起始簇号信息，然后根据FAT表得到文件的簇链；

c.由此簇链找到文件的对应扇区；

d.读取这些扇区的内容即是文件的内容，写入文件的方法与此类似；

（8）判断读写是否完成，是则结束任务，否则转入步骤（5）。

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