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第十四章SD卡讀寫TXT文本實驗

SD存儲卡是一種基于半導體快閃記憶器的記憶設備。它具有體積小、傳輸速度快、支持熱插拔等優點，在便攜式裝置領域得到了廣泛的應用，如手機、多媒體播放器等。本章我們將使用MPSOC開發板學習如何對SD卡（這里特指Micro SD卡，即TF卡）進行TXT文本的讀寫操作。
本章包括以下幾個部分：
1414.1簡介
14.2實驗任務
14.3硬件設計
14.4軟件設計
14.5下載驗證
14.1簡介
我們開發板上的SD卡接口為小卡的設計，可以連接Micro SD卡（也叫TF卡），在介紹TF卡之前，我們先來介紹一下較大的一種存儲卡，即SD卡。
SD卡介紹
SD卡的英文全稱是Secure Digital Card，即安全數字卡（又叫安全數碼卡），是在MMC卡（Multimedia Card，多媒體卡）的基礎上發展而來，主要增加了兩個特色：更高的安全性和更快的讀寫速度。SD卡和MMC卡的長度和寬度都是32mm x 24mm，不同的是，SD卡的厚度為2.1mm，而MMC卡的厚度為1.4mm，SD卡比MMC卡略厚，以容納更大容量的存貯單元，同時SD卡比MMC卡觸點引腳要多，且在側面多了一個寫保護開關。SD卡與MMC卡保持著向上兼容，也就是說，MMC卡可以被新的SD設備存取，兼容性則取決于應用軟件，但SD卡卻不可以被MMC設備存取。SD卡和MMC卡可通過卡片上面的標注進行區分，如下圖左側圖片上面標注為“MultiMediaCard”字母樣式的為MMC卡，右側圖片上面標注為“SD”字母樣式的為SD卡。

圖 14.1.1 MMC外觀圖（左）和SD卡外觀圖（右）
上圖中右側圖片的SD卡實際上為SDHC卡，SD卡從存儲容量上分為3個級別，分別為：SD卡、SDHC卡（Secure Digital High Capacity，高容量安全數字卡）和SDXC卡（SD eXtended Capacity，容量擴大化的安全存儲卡）。SD卡在MMC卡的基礎上發展而來，使用FAT12/FAT16文件系統，SD卡采用SD1.0協議規范，該協議規定了SD卡的最大存儲容量為2GB；SDHC卡是大容量存儲SD卡，使用FAT32文件系統，SDHC卡采用SD2.0協議規范，該協議規定了SDHC卡的存儲容量范圍為2GB至32GB；SDXC卡是新提出的標準，不同于SD卡和SDHC卡使用的FAT文件系統，SDXC卡使用exFAT文件系統，即擴展FAT文件系統。SDXC卡采用SD3.0協議規范，該協議規定了SDXC卡的存儲容量范圍為32GB至2TB（2048GB），一般用于中高端單反相機和高清攝像機。
下表為不同類型的SD卡采用的協議規范、容量等級及支持的文件系統。
表 14.1.1 SD卡的類型、協議規范、容量等級及支持的文件系統

不同協議規范的SD卡有著不同速度等級的表示方法。在SD1.0協議規范中（現在用的較少），使用“X”表示不同的速度等級；在SD2.0協議規范中，使用SpeedClass表示不同的速度等級；SD3.0協議規范使用UHS（Ultra High Speed）表示不同的速度等級。SD2.0規范中對SD卡的速度等級劃分為普通卡（Class2、Class4、Class6）和高速卡（Class10）；SD3.0規范對SD卡的速度等級劃分為UHS速度等級1和3。不同等級的讀寫速度和應用如下圖所示。

圖 14.1.2 SD卡不同速度等級表示法
SD卡共有9個引腳線，可工作在SDIO模式或者SPI模式。在SDIO模式下，共用到CLK、CMD、DAT[3:0]六根信號線；在SPI模式下，共用到CS（SDIO_DAT[3]）、CLK（SDIO_CLK）、MISO（SDIO_DAT[0]）、MOSI（SDIO_CMD）四根信號線。SD卡接口定義以及各引腳功能說明如圖 14.1.3所示。

圖 14.1.3 SD卡接口定義以及各引腳功能說明
市面上除標準SD卡外，還有Micro SD卡（原名TF卡），是一種極細小的快閃存儲器卡，是由SanDisk(閃迪)公司發明，主要用于移動手機。MicroSD卡插入適配器（Adapter）可以轉換成SD卡，其操作時序和SD卡是一樣的。MicroSD卡接口定義以及各引腳功能說明如圖 14.1.4所示。

圖 14.1.4 MicroSD卡接口定義以及各引腳功能說明
標準SD卡2.0版本中，工作時鐘頻率可以達到50Mhz，在SDIO模式下采用4位數據位寬，理論上可以達到200Mbps（50Mx4bit）的傳輸速率；在SPI模式下采用1位數據位寬，理論上可以達到50Mbps的傳輸速率。因此SD卡在SDIO模式下的傳輸速率更快，同時其操作時序也更復雜。值得一提的是，MPSOC內部集成了兩個SD卡控制器，并且Xilinx Vitis的standalone已經移植好了FATFS（Vitis軟件中叫做xilffs）文件系統，因此在Vitis中添加xilffs庫后，就可以在程序中使用FATFS中的API函數來操作SD卡。
SD控制器（SD/SDIO/eMMC Controller）
MPSOC中的SD控制器符合SD3.0協議規范，接口兼容eMMC4.51、MMC4.51、SDIO3.0、SD3.01。SD控制器通過AXI主端口和AXI從端口連接至系統總線上，其系統框圖如下圖所示：

圖 14.1.5 SD卡控制器內部框圖
AXI從接口用于訪問SD控制器內部的寄存器，除此之外，在PIO（Programmed I/O）模式下運行時，驅動程序可以通過該接口訪問SD數據端口寄存器。
AXI主接口用于訪問DMA控制器（當使用DMA模式或者ADMA2模式）。DMA控制器使用DMA主接口在內部緩存和系統內存之間傳輸數據。
SD控制器連接SD卡時，支持幾種不同的速度模式如下圖所示：

圖 14.1.6 SD卡速度模式
由上圖可知，在不同的速度模式下，SD_CLK能夠運行的最大時鐘頻率不一樣，且對SD卡IO電平也有要求。由于我們的MPSOC開發板，將TF卡連接至MPSOC芯片的BANK501，電平固定為3.3V，所以只支持默認模式和高速模式，在高速模式下，帶寬最大為25MB/s。
FATFS文件系統
FATFS是一個完全開源免費的FAT文件系統模塊，專門為小型的嵌入式系統而設計。它完全用標準C語言編寫，所以具有良好的硬件平臺獨立性，可以很方便的移植到各種嵌入式處理器中。Xilinx Vitis的standalone已經移植好了FATFS文件系統，因此在Vitis中添加xilffs庫后，就可以在程序中使用FATFS中的API函數來操作SD卡。
FATFS的特點如下：
1、結構清晰，代碼量少，文件系統和IO底層分開，特別適合新手入門學習；
2、支持最多10個邏輯盤符和兩級文件夾；
3、支持FAT12/FAT16和FAT32文件系統；
4、支持長文件名稱。
FATFS的這些特點，加上開源、免費的原則，使得FATFS的應用非常廣泛。FATFS模塊的層次結構如圖 14.1.7所示：

圖 14.1.7 FATFS層次結構圖
最頂層是應用層，使用者無需理會FATFS的內部結構和復雜的FAT協議，只需要調用FATFS 模塊提供給用戶的一系列應用接口函數，如f_open，f_read，f_write和f_close等，就可以像在 PC上讀／寫文件那樣簡單。
中間層FATFS模塊，實現了FAT文件讀／寫協議。FATFS模塊提供的是ff.c和ff.h。除非有必要，使用者一般不用修改，使用時將頭文件直接包含進去即可。
FATFS模塊提供的底層接口，它包括存儲媒介讀／寫接口（disk I/O）和供給文件創建修改時間的實時時鐘。
關于FATFS源碼以及API函數的介紹，大家可以在：http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html這個網站上查看。
14.2實驗任務
本章的實驗任務是通過Xilinx Vitis自帶的FATFS庫，完成對TF卡中TXT文本讀寫的功能，并將讀寫測試結果通過串口打印出來。
14.3硬件設計
我們的MPSOC開發板上面有一個SD卡接口，可以連接Micor SD卡（TF卡），原理圖如下圖所示：

圖 14.3.1 Micro SD卡原理圖
由上圖可知，SD卡共有四根數據線（SD_D0~D3），連接至MPSOC的引腳。值得注意的是，圖中SD_CD信號是TF卡檢測信號，用于標志開發板是否連接了TF卡。當開發板沒有連接TF卡時，SD_CD信號為高電平；而當開發板連接了TF卡之后，SD_CD信號為低電平，表示開發板已經連接了TF卡。
從實驗任務我們可以畫出如下的系統框圖，DDR4中存放和運行程序、SD卡控制器驅動TF卡，UART實現串口通信。

圖 14.3.2 系統框圖
由系統框圖可知，本次實驗在MPSOC嵌入式最小系統的基礎上，添加了SD卡控制器，用于驅動TF卡。需要說明的是，TF卡連接的是PS的MIO端口，因此本次實驗沒有用到PL的資源。
我們直接在“Hello World實驗”的基礎上，將工程另存為“micro_sd_rw”工程。
這里簡單介紹下MPSOC PS的配置界面，配置界面選擇的是SD1 MIO46…MIO51、CD（MIO45），如下圖所示。

圖 14.3.3 外設IO配置界面
需要注意的是，TF卡的引腳連接到MPSOC的Bank 1端口（BANK501），Bank 1的IO電壓為3.3V，因此在MIO的配置界面將Bank1的電壓改為“LVCMOS 3.3V”。圖 14.3.3中勾選了CD信號，CD信號用于指示當前開發板有沒有連接TF卡，這里勾選中CD信號，并將引腳分配至MIO45。另外，由于本次實驗連接的是16GB的TF卡，所以Slot Type選擇SD2.0，而Data Transfer Mode選擇4Bit。
UART配置界面選擇UART0 MIO42…MIO43，如下圖所示。

圖 14.3.4 UART配置界面
嵌入式系統最終搭建的框圖如圖 14.3.5所示。

圖 14.3.5 嵌入式系統框圖界面
14.4軟件設計
在Vitis軟件中新建一個BSP工程和一個空的應用工程，應用工程名為“micro_sd_rw”。
接下來添加FATFS庫。點擊micro_sd_rw界面下的“Navigate to BSP Setting”，如下圖所示。

圖 14.4.1 關閉system.mss
如果不小心關閉該界面的話，可以直接雙擊圖中左側micro_sd_rw.prj即可。
接下來會彈出Board Support Package的界面，點擊“Modify BSP Settings…”，對應用工程的板級支持包進行設置，如下圖所示：

圖 14.4.2 Board Support Package界面
在彈出的界面中勾選“xilffs”，xilffs即為FATFS庫，如下圖所示：

圖 14.4.3 勾選xilffs
勾選后，會在左側Overview的standalone一欄出現xilffs，點擊xilffs?？梢钥吹絬se_lfn的默認設置為0，即不使能。use_lfn用于設置是否使能長文件名以及文件名的小寫字母，這里將use_lfn設置為1，點擊“OK”按鈕完成設置。如圖 14.4.4所示：

圖 14.4.4 使能use_lfn
設置完成后，在design_1_wrapper→psu_cortexa53_0→standalone_domain→bsp→psu_cortexa53_0→libsrc一欄下，會多出FATFS的庫函數。如圖 14.4.5所示：

圖 14.4.5 xilffs_v4_2庫函數
添加完FATFS庫之后，對TF卡的操作會簡單很多，我們只需要在程序中調用FATFS的庫函數即可。
接下來為應用工程新建一個源文件“main.c”，我們在新建的main.c文件中輸入本次實驗的代碼。代碼的主體部分如下所示：
1 #include “xparameters.h”
2 #include “xil_printf.h”
3 #include “ff.h”
4 #include “xstatus.h”
5
6 #define FILE_NAME “ZDYZ.txt” //定義文件名
7
8 const char src_str[30] = “www.openedv.com”; //定義文本內容
9 static FATFS fatfs; //文件系統
10
11 //初始化文件系統
12 int platform_init_fs()
13 {
14 FRESULT status;
15 TCHAR *Path = “0:/”;
16 BYTE work[FF_MAX_SS];
17
18 //注冊一個工作區(掛載分區文件系統)
19 //在使用任何其它文件函數之前，必須使用f_mount函數為每個使用卷注冊一個工作區
20 status = f_mount(&fatfs, Path, 1); //掛載SD卡
21 if (status != FR_OK) {
22 xil_printf(“Volume is not FAT formated; formating FAT\r\n”);
23 //格式化SD卡
24 status = f_mkfs(Path, FM_FAT32, 0, work, sizeof work);
25 if (status != FR_OK) {
26 xil_printf(“Unable to format FATfs\r\n”);
27 return -1;
28 }
29 //格式化之后，重新掛載SD卡
30 status = f_mount(&fatfs, Path, 1);
31 if (status != FR_OK) {
32 xil_printf(“Unable to mount FATfs\r\n”);
33 return -1;
34 }
35 }
36 return 0;
37 }
38
39 //掛載SD(TF)卡
40 int sd_mount()
41 {
42 FRESULT status;
43 //初始化文件系統（掛載SD卡，如果掛載不成功，則格式化SD卡）
44 status = platform_init_fs();
45 if(status){
46 xil_printf(“ERROR: f_mount returned %d!\n”,status);
47 return XST_FAILURE;
48 }
49 return XST_SUCCESS;
50 }
51
52 //SD卡寫數據
53 int sd_write_data(char file_name,u32 src_addr,u32 byte_len)
54 {
55 FIL fil; //文件對象
56 UINT bw; //f_write函數返回已寫入的字節數
57
58 //打開一個文件,如果不存在，則創建一個文件
59 f_open(&fil,file_name,FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);
60 //移動打開的文件對象的文件讀/寫指針 0:指向文件開頭
61 f_lseek(&fil, 0);
62 //向文件中寫入數據
63 f_write(&fil,(void) src_addr,byte_len,&bw);
64 //關閉文件
65 f_close(&fil);
66 return 0;
67 }
68
69 //SD卡讀數據
70 int sd_read_data(char file_name,u32 src_addr,u32 byte_len)
71 {
72 FIL fil; //文件對象
73 UINT br; //f_read函數返回已讀出的字節數
74
75 //打開一個只讀的文件
76 f_open(&fil,file_name,FA_READ);
77 //移動打開的文件對象的文件讀/寫指針 0:指向文件開頭
78 f_lseek(&fil,0);
79 //從SD卡中讀出數據
80 f_read(&fil,(void)src_addr,byte_len,&br);
81 //關閉文件
82 f_close(&fil);
83 return 0;
84 }
85
86 //main函數
87 int main()
88 {
89 int status,len;
90 char dest_str[30] = “”;
91
92 status = sd_mount(); //掛載SD卡
93 if(status != XST_SUCCESS){
94 xil_printf(“Failed to open SD card!\n”);
95 return 0;
96 }
97 else
98 xil_printf(“Success to open SD card!\n”);
99
100 len = strlen(src_str); //計算字符串長度
101 //SD卡寫數據
102 sd_write_data(FILE_NAME,(u32)src_str,len);
103 //SD卡讀數據
104 sd_read_data(FILE_NAME,(u32)dest_str,len);
105
106 //比較寫入的字符串和讀出的字符串是否相等
107 if (strcmp(src_str, dest_str) == 0)
108 xil_printf(“src_str is equal to dest_str,SD card test success!\n”);
109 else
110 xil_printf(“src_str is not equal to dest_str,SD card test failed!\n”);
111
112 return 0;
113 }
在main函數中，實現的功能是向TF卡中讀寫TXT文本，并比較寫入的數據和讀出的數據是否一致。程序首先調用sd_mount()函數掛載TF卡，接下來根據待寫入字符串的長度，通過sd_write_data()函數和sd_read_data()函數對TF卡中的TXT文本進行寫入和讀出，然后比較寫入和讀出的值，并打印比較的結果值，如代碼中第86行至第113行所示。
sd_mount()函數實現的功能是掛載TF卡，并返回掛載的結果。sd_mount()函數里通過調用platform_init_fs()函數實現對TF卡的掛載，如果掛載不成功，則格式化TF卡，并重新掛載TF卡。在使用任何其它文件系統函數之前，必須先對TF卡進行掛載，sd_mount()函數如代碼中第39至第50行所示，platform_init_fs()函數如代碼中第12至第37行所示。需要注意的是，掛載函數同樣會對硬件進行檢查，如果未插入TF卡，會導致SD卡掛載失敗。
sd_write_data()函數在TF卡中打開一個文本，并寫入程序開頭定義的字符數組“www.openedv.com”。寫入之前，先通過f_open函數打開一個文件名為“ZDYZ.txt”的文件，如果不存在，則在TF卡中創建該文件。隨后通過f_lseek函數移動已打開文件對象的讀寫指針，為0則代表移動到文件的開頭位置。接下來通過f_write函數向打開的文件中寫入數據，寫完之后則通過f_close函數關閉該文件。如代碼的第52行至67行代碼所示。
sd_read_data()函數從TF卡的TXT文本中讀出數據。TF卡的讀操作和寫操作類似，讀數據的函數為f_read函數，如代碼中第69行至第84行代碼所示。
14.5下載驗證
首先我們將下載器與開發板的JTAG接口連接，下載器另外一端與電腦連接。然后使用USB連接線將開發板的PS_PORT（PS_UART）接口與電腦連接，用于串口通信。接下來插入TF卡（TF卡插槽位于開發板背面）。最后連接開發板的電源。開發板背面TF卡卡座如圖 14.5.1所示：

圖 14.5.1 開發板背面TF卡卡座
打開Vitis Terminal終端，設置并連接串口。然后下載本次實驗的程序，下載完成后，在下方的Terminal中可以看到應用程序打印的信息，如下圖所示：

圖 14.5.2 打印SD卡讀寫測試結果
由上圖可知，顯示寫入的字符和讀出的字符一致，說明TF卡讀寫測試成功。
接下來從開發板的卡槽中取出TF卡，通過連接讀卡器來插入電腦的USB接口，此時可以看到TF中的文件內容如所示。

圖 14.5.3 創建的TXT文本
打開“ZDYZ.txt”文本，可以看到文本的內容，如下圖所示：

圖 14.5.4 TXT文本內容
TXT文本的內容為“www.openedv.com”字符串，和串口中打印的字符串一致，說明本次實驗在MPSOC開發板上面下載驗證成功。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的【正点原子FPGA连载】第十四章SD卡读写TXT文本实验 摘自【正点原子】DFZU2EG_4EV MPSoC之嵌入式Vitis开发指南的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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