基于NIOS II的SD卡数据读写器设计

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1、 毕业论文（设计）毕业论文（设计） 题 目 基于 NIOS II 的 SD 卡数据读写器设计 电子信息科学与技术 专 业 2 基于基于 NIOSNIOS IIII 的的 SDSD 卡数据读卡数据读写器设计写器设计 【摘摘 要要】随着移动电子产品与人们生活的日益密切，对电子产品数据储存能力的要求越来越大，各式各样的移随着移动电子产品与人们生活的日益密切，对电子产品数据储存能力的要求越来越大，各式各样的移 动储存介质兴起，动储存介质兴起，SD 卡、卡、TF 卡是目前最为广泛使用的储存介质。其中卡是目前最为广泛使用的储存介质。其中 SD 经过多年的发展，各方面技术已经十分成熟，经过多年的发展，各方面

2、技术已经十分成熟， 成本更加低廉，成为相机、笔记本电脑等对容量及介质大小都有要求的电子产品的首选。成本更加低廉，成为相机、笔记本电脑等对容量及介质大小都有要求的电子产品的首选。 Altera 公司开发的公司开发的 NIOS II 嵌入式处理器是通用型嵌入式处理器是通用型 32 位位 RISC 嵌入式处理器，开发者可以通过软件设计其外围系嵌入式处理器，开发者可以通过软件设计其外围系 统、总线，并且可以根据需要定制统、总线，并且可以根据需要定制 NIOS II 的软核。的软核。 本文将通过本文将通过 quartus ii9.0 中的中的 SOPC 设计出基于设计出基于 NIOS II 的的 SD

3、卡数据读写软核，及其他需要的外围电路，再使用卡数据读写软核，及其他需要的外围电路，再使用 nios ii IDE9.0 进行软件的编写。硬件使用的是进行软件的编写。硬件使用的是 A-C8V4 的开发板，并在上面实现的开发板，并在上面实现 SD 卡的文本读写操作，可用来实现简卡的文本读写操作，可用来实现简 单的答题器效果。单的答题器效果。 【关键词关键词】SD 卡；卡；NIOS II；quartus ii；A-C8V4；文本读写；文本读写；SOPC；答题器；答题器 3 目录目录 0 0引言引言 .4 1 1 SDSD 卡卡 4 1.11.1SDSD 卡引脚介绍卡引脚介绍 4 1.21.2 SDS

4、D 卡通信模式介绍卡通信模式介绍.5 2 2 SOPCSOPC 系统简介系统简介 5 2.12.1 SOPCSOPC 是什么是什么.5 2.22.2 SOPCSOPC 好在哪好在哪.5 2.32.3 SOPCSOPC 怎么做怎么做.5 3 3 NIOSNIOS IIII 处理器介绍处理器介绍 5 3.13.1 NIOSNIOS IIII 处理器介绍处理器介绍.5 3.23.2 NIOSNIOS IIII 处理器的外设介绍处理器的外设介绍.6 4 4 SOPCSOPC 开发流程介绍开发流程介绍 6 5 5 内核搭建过程内核搭建过程 .6 5.15.1 总体设计思路总体设计思路6 5.25.2 A

5、-C8V4A-C8V4 开发板重要电路介绍开发板重要电路介绍.6 5.2.15.2.1 FlashFlash 储存器储存器 7 5.2.25.2.2 SDRAMSDRAM 储存器储存器 7 5.2.35.2.3 SDSD 卡槽电路卡槽电路 7 5.35.3 内核详细构建过程内核详细构建过程8 5.45.4 顶层原理图顶层原理图 9 6 6 软件设计软件设计 .10 6.16.1 SDSD 卡各方面设置卡各方面设置.11 6.26.2 SDSD 卡读程序卡读程序.12 6.36.3 SDSD 卡写程序卡写程序.13 6.46.4 主功能程序主功能程序14 6.56.5 程序效果调试程序效果调试1

6、5 7 7 实际应用场景分析实际应用场景分析 .19 8 8 总结总结 .19 参考文献参考文献 .20 4 0 0引言引言 电子行业是一个日新月异快速发展的行业，电子产品的跟换速度也因此变得无比迅速，与之相关 的产业不得不迅速更近来达到匹配的目的。然而并不是所有电子产品相关配件都得跟上电子产品发展 的步伐，有的是因为技术遇到了瓶颈，比如移动电子产品的电池已经有很长的一段时间得不到有效的 发展；有的是其功能足够支撑目前大多数电子产品的使用，比如 SD 卡已经在电子界活跃了近十个年 头，即使在 TF 卡越来越成为主流的今天，比它大上好几倍体积的 SD 卡依旧占据了一部分市场，并且 短期来看不会有

7、太大的变化，对于电子行业来说，着实是个神奇的现象。下面我们就来详细了解一下 SD 卡中不为人知的理论内容。 1 1 SDSD 卡卡 SD 卡（Secure Digital Memory Card）又叫安全数码卡，是在 MMC（Multimedia Card）的基础上 发展而来的一种集大容量、高性能、高安全性等优点于一身的数据储存卡。曾广泛应用在众多的移动 终端上，比如手机、MP3、数码相机等，但随着手机内部集成度的越来越高，SD 卡已经无法“塞入” 手机之中，所以当今更多是和读卡器结合成为优盘来使用。 1.11.1SDSD 卡引脚介绍卡引脚介绍 SD 的卡的尺寸为 32mm x 24mm x

8、2.1mm。其内部引脚图如下： 图 1-1 SD 卡引脚图 表 1-1 SD 卡引脚定义 引脚引脚 名称名称 描述描述 1 1 CD/DAT3CD/DAT3 数据位数据位 3 3 2 2 CMDCMD 命令命令/ /回复回复 3 3 VSSVSS 地地 4 4 VDDVDD 电源电源 5 5 CLKCLK 地地 6 6 VSSVSS 时钟时钟 7 7 DATA0DATA0 数据位数据位 0 0 8 8 DATA1DATA1 数据位数据位 1 1 9 9 DATA2DATA2 数据位数据位 2 2 5 1.21.2 SDSD 卡通信模式介绍卡通信模式介绍 SD 卡能够支持两种通信协议，一个是正常

9、情况下 SD 卡模式，另一个则是当 CMD 引脚发出 CMD0 这 个命令之后，再次发送读写命令才能进行读写操作的 SPI 模式。每次都只能使用一种模式来让主机进 行通信。 SDSD 模式模式： 主机通过 SD 总线来进行与 SD 卡的通信。每张 SD 卡都有属于自己的命令线及数据线，其余信号都 是可以公用的。 SPISPI 模式模式： 主机通过 SPI 总线来进行与 SD 卡的通信。SPI 模式已经成为一种便利的通信模式，因为如今的电 子设备如果支持 SD 卡，大多带有硬件的 SPI 接口。虽然这些设备一打开电源就能用复位命令来让自己 进入 SPI 模式，但一旦选定了这个模式，直到下次通电，

10、都不能更换成 SD 模式了。 2 2 SOPCSOPC 系统简介系统简介 2.12.1 SOPCSOPC 是什么是什么 SOPC（System-on-a-programmable-Chip） ，中文名是可编程片上系统。从字面上理解，它是一个 片上系统，也就是只需要一个芯片就可以达到一个系统的大部分功能；同时又是一个可以编程的系统， 可以方便的改变其功能。所以是一个软硬件都可以编程的灵活系统。 2.22.2 SOPCSOPC 好在哪好在哪 与一般的 SOC 相比，SOPC 到底有哪些优势呢？ 首先，SOPC 更加方便，可以将几乎所有的设计过程（硬件、软件、仿真、调试等）通过计算机来 进行，大大的

11、减少了硬件上面的资金的投资、硬件制作上时间的投资。 其次，SOPC 更加亲民，使用者在使用某个设计好的电路的同时，也可以投身到设计电路的队伍中 去，方便大家进行交流，互相促进、 再者，SOPC 更加包容，除了可以使用传统的 ASIC 器件以外，更可以将 FPGA 的那些个可编程器件 收入囊中，让开发者不再担心兼容问题。 2.32.3 SOPCSOPC 怎么做怎么做 目前 SOPC 的开发主要由以下几种方式： 在 FPGA 中嵌入硬核。当今市面上用到这种方法的处理器主要采用 ARM32 架构。因为如果为了兼容 性给处理器加入许多通用接口，必将带来成本和功耗的提高。如果将这些处理器换一种方式，变成

12、硬 核植入 FPGA，在通过其可编程的特点，多多利用资源，在设计接口时加入需要的功能模块，就能起到 一举两得的作用。 在 FPGA 中嵌入软核。最有代表性的公司就是 Altera 公司，其开发的 NIOS 和 NIOS II 具有极高的 性价比。开发者可以从自身情况出发，通过 quartus ii 以及 SOPC Builder 来搭建 NIOS 软核的外围系 统，以此来达到自身需要达到的效果。这一方式解决了知识产权导致的处理器价格偏高、硬核植入带 来的后期更改困难的局限性、FPGA 类型限制等之前困扰人们的种种问题。 HardCopy 技术。简单的说就是将通过 FPGA 开发出来的 SOPC

13、 系统，通过技术手段转化为 ASIC。这 种方式的目的是 Altera 公司为了解决日益严峻的 ASIC 市场竞争问题而相处来的方式。 3 3 NIOSNIOS IIII 处理器介绍处理器介绍 NIOS II 是 Altera 公司在 2004 年推出的一款软核处理器。相比于 NIOS 的一代，具有更加强大的 处理能力和更加小巧的体积。 3.13.1 NIOSNIOS IIII 处理器介绍处理器介绍 NIOS II 拥有超过 200DMIPSD 的处理能力，并且配备有丰富的自身资源：指令集、地址位、寄存 器、中断位等每一个都出类拔萃。并且还可以通过用户的需要给其加上各式各样的外部设备，比如 6

14、 flash、SRAM 等。 NIOS II 全系列共有三个不同的型号，分别是：快速型、经济型、标准型。 快速型拥有最强大的性能，但为此付出了占用大量逻辑资源的代价； 经济型最省逻辑资源，所以性能最低； 标准型介于快速型和经济型之间，最适合大众的型号。 NIOS II 使用的是 HDL 语言，可以和 FPGA 通用，所以十分便利，对有 EDA 开发经验的开发者的学 习门槛降低了很多。 3.23.2 NIOSNIOS IIII 处理器的外设介绍处理器的外设介绍 要实现基于 NIOS II 的各种功能，但靠一个处理器是远远不够的，还必须通过众多的外围设备来 帮助我们达到目的。例如 SRAM 存储器

15、、SD_RAM 存储器，Flash 存储器等等的外围设备都是可以在设计 的过程中一一添加的。 众多的外围设备主要可以归结为 2 类：硬件开发使用和软件开发使用。其中硬件开发使用的包括 能够让外设达到设想功能的外设行为逻辑；能够让处理器访问的外围寄存器；为处理器和寄存器间提 供物理接口的 Avalon 总线。而用于软件开发的则是软件驱动子程序，作用是让应用程序可以访问外围 设备。 开发者们除了使用官方提供的这些 IP 核外，也可以使用各种第三方 IP 核来满足各种各样不同的 开发需求。 4 4 SOPCSOPC 开发流程介绍开发流程介绍 SOPC 的开发需要用到几个关键的工具，只有掌握了这些工具的使用方法，才能在 SOPC 的开发海 洋中畅游。 这里将列出在 SOPC 设计环节中将会用到的几个关键的 PC 端应用程序，分别是负责硬件部分开发 的 quartus ii9.0、SOPC Builder 以及负责软件部分开发的 NIOS II IDE9.0。 quartusqua