基于SoPC和NIOS II的SD卡文件系統(tǒng)的設(shè)計

HAL的系統(tǒng)庫為NIOSⅡ軟件設(shè)計人員提供了應(yīng)用程序與底層硬件交互的設(shè)備驅(qū)動接口，簡化了應(yīng)用程序的開發(fā)。HAL系統(tǒng)庫也為應(yīng)用程序與底層硬件驅(qū)動劃分了一條清晰的分界線，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。
SD卡的上電初始化過程可以分成以下5個步驟：
(1)適當(dāng)延時等待SD就緒；
(2)發(fā)送74+個spi_clk，且保持spi_cs_n=1 spi_mosi=1；
(3)發(fā)送CMD0命令并等待響應(yīng)R1=8’H01，將卡復(fù)位到IDLE；
(4)發(fā)送CMD1命令并等待響應(yīng)R1=8’H00，激活卡的初始化進程；
(5)發(fā)送CMD16命令并等待響應(yīng)R1=8’H00，設(shè)置一次讀寫B(tài)LOCK的長度。
SD卡的數(shù)據(jù)讀取操作也大致可以分為以下步驟：
(1)發(fā)送命令CMD17；
(2)接受讀數(shù)據(jù)起始令牌0xFE；
(3)讀取512 B數(shù)據(jù)以及2 B的CRC。
借助于NIOSⅡ可以軟件編寫最底層的SPI操作函數(shù)來實現(xiàn)上述復(fù)雜的步驟：
extern INT8U SPI Sendbvte(INT8U data)
extern INT8U SPI_Recibyte(void)
上面分別是SPI發(fā)送1 B以及接收1 B，這2個函數(shù)的使用需要調(diào)用SoPC中的SPI核中的庫函數(shù)，然后是SD卡的初始化和讀寫函數(shù)：
初始化： extern int SD_Reset(void)；
讀一扇區(qū)：extern inI SD_ReadBlock(INT32Ublockaddr，INT8U*recibuf)；
寫一扇區(qū)：extern int SD_WriteBlock(INT32Ublockaddr，INT8U*sendbuf)；
通過這些代碼，可以一步步的向SD卡發(fā)送CMD指令，使其復(fù)位，激活成SPI模式，并設(shè)置塊大小為512 B。

3 文件系統(tǒng)的設(shè)計
若讀寫操作都是以扇區(qū)為單位，SD卡僅相當(dāng)于FLASH。為了管理SD卡中的數(shù)據(jù)，并方便在Windows系統(tǒng)中訪問SD卡中的數(shù)據(jù)，就必須將SD卡中的數(shù)據(jù)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(chuàng)建一個文件系統(tǒng)，常見的是微軟公司推出的FAT16和進化版FAT32。
FAT存儲原理：FAT16由6部分組成，首先是引導(dǎo)扇區(qū)(DBR)，引導(dǎo)扇區(qū)(DBR)即操作系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)，通常占用分區(qū)的第0扇區(qū)共512 B。在512 B中，又由跳轉(zhuǎn)指令、廠商標(biāo)志、操作系統(tǒng)版本號、BPB、擴展BPB、OS引導(dǎo)程序、結(jié)束標(biāo)志幾部分組成。如圖3所示，根文件夾緊跟著的是FAT表(FAT1，F(xiàn)AT2，F(xiàn)AT2是FAT1的備份)，F(xiàn)AT表是FAT16文件系統(tǒng)用來記錄磁盤數(shù)據(jù)簇鏈結(jié)構(gòu)的，F(xiàn)AT中磁盤空間按照一定數(shù)目的扇區(qū)為最單位進行劃分，這種單位稱為簇，一般每扇區(qū)分為512 B，而簇的大小是2n(n為整數(shù))個扇區(qū)，所以簇的大小一般是512 B，1 KB，2 KB，4 KB等，一般不超過32 KB。以簇為單位的原因是扇區(qū)太小，如果用扇區(qū)的話對大文件的存取會消耗很多資源，增加FAT表的項數(shù)，這樣文件系統(tǒng)的效率就非常低。

文件系統(tǒng)本質(zhì)上就是把上層對文件的操作轉(zhuǎn)換為底層對數(shù)據(jù)簇的操作(例如初始化，讀扇區(qū)，寫扇區(qū)等)。
本文中最底層的2個函數(shù)如下：