文章目录
1 实验任务
本实验任务是通过Xilinx SDK自带的FATFS库，完成对TF卡中TXT文本读写的功能，并将读写测试结果通过串口打印出来。
2 系统框图
3 SD/SDIO简介
3.1 SD存储卡和SDIO设备
- SD存储卡
- 定义：一种基于SD总线接口的存储设备，用于数据的读写和存储
- 功能：主要用于存储照片、视频、文档等数据
- SDIO设备
- 定义：一种基于SDIO接口的扩展设备，用于扩展主机设备的功能
- 功能：提供额外的硬件功能，如Wi-Fi、蓝牙、GPS、摄像头等
3.2 SD总线接口
SD卡使用的接口称为SD总线接口（SD Bus Interface），这是一种专门为SD卡设计的总线接口，用于在主机设备（如相机、手机、电脑）和SD卡之间传输数据、命令和状态信息。
3.2.1 核心特性
- 物理接口：
- SD卡使用9个引脚（标准尺寸）或8个引脚（microSD）进行通信
- 引脚包括数据线（DAT0~DAT3）、命令线（CMD）、时钟线（CLK）、电源线（VDD、VSS）等
- 通信协议：
- SD总线接口基于SD协议，定义了主机与SD卡之间的命令、响应和数据传输方式
- 支持多种传输模式，包括1位模式和4位模式
- 数据传输方式：
- 1位模式：仅使用DAT0引脚传输数据
- 4位模式：使用DAT0~DAT3引脚同时传输数据，提高传输速度
- 时钟同步：
- 数据传输由主机提供的时钟信号（CLK）同步
- 时钟频率决定了数据传输的速度
3.2.2 工作模式
SD总线接口支持多种工作模式，以适应不同的性能需求：
- 默认速度模式（Default Speed Mode）
- 时钟频率：0~25 MHz
- 传输速度：最高12.5 MB/s（4位模式）
- 特点：兼容早期的SD卡，适用于标清视频录制和一般数据存储
- 高速模式（High Speed Mode）
- 时钟频率：0~50 MHz
- 传输速度：最高25 MB/s（4位模式）
- 特点：适用于高清视频录制和高速数据存储
- UHS模式（Ultra High Speed Mode）
- UHS-I：
- 时钟频率：0~208 MHz
- 传输速度：最高104 MB/s（SDR104模式）
- UHS-II：
- 引入LVDS差分信号，支持全双工通信
- 传输速度：最高312 MB/s（半双工模式）
- UHS-III：
- 进一步提升时钟频率
- 传输速度：最高624 MB/s（全双工模式）
- UHS-I：
3.2.3 通信流程
- 初始化：
- 主机通过CMD命令与SD卡建立通信，获取卡的基本信息（如容量、支持的模式等）；
- 数据传输：
- 主机发送读写命令（如CMD17/CMD18/CMD24/CMD25），通过数据线（DAT0~DAT3）传输数据；
- 状态检测：
- 主机通过CMD命令查询SD卡的状态（如是否忙、是否有错误等）。
3.3 SDIO接口
SDIO接口是基于SD总线接口扩展而来的；SDIO接口既能访问SD存储卡，又能访问SDIO设备。
- SDIO接口兼容SD总线接口的方面
- 物理接口：使用相同的引脚（DAT0~DAT3、CMD、CLK、VDD、VSS）
- 基本协议：支持SD存储协议的命令和响应机制
- 数据传输：支持1位和4位并行数据传输模式
- 时钟同步：使用CLK引脚同步数据传输
- SDIO接口扩展SD总线接口的方面
- 协议扩展：
- 新增**CMD52（IO_RW_DIRECT）和CMD53（IO_RW_EXTENDED）**命令，支持设备寄存器访问和块数据传输
- 中断机制：
- 使用DAT1引脚作为中断信号线，支持SDIO设备主动通知主机
- 设备初始化：
- 支持通过CMD5命令查询设备能力，并通过CMD52/CMD53命令配置设备
多功能支持： - 支持多种设备类型（如Wi-Fi、蓝牙、GPS），每种设备有特定的寄存器映射和功能定义
- 支持通过CMD5命令查询设备能力，并通过CMD52/CMD53命令配置设备
- 协议扩展：
关于SDIO接口支持的设备类型，如下图所示：
4 硬件设计
4.1 Block Design
- 添加ZYNQ7 Processing System IP核
- （1）在Peripheral I/O页面
- 1）勾选SD
- 2）勾选UART
- 3）正确选择Bank 0和Bank 1的电压
- （2）在DDR Configuration页面
- 1）DDR Controller Configuration下，合理配置Memory Type、Memory Part和Bus Width等参数
- （1）在Peripheral I/O页面
4.2 注意事项
无。
5 软件设计
5.1 注意事项
- 在main.c程序中，并未对sd卡外设进行显示初始化，但是
- （1）f_mkfs函数➡disk_initialize函数➡XSdPs_CfgInitialize函数
- （2）f_mount函数➡find_volume函数➡disk_initialize函数➡XSdPs_CfgInitialize函数
5.2 函数详解
- 基本概念
- f_mkfs函数
- （1）函数原型
- （2）参数详解
- 1）path：指定要格式化的卷的路径
- 格式：逻辑驱动器号 + 根目录，如 “0:/”、“1:/”
- 驱动器号范围：由 ffconf.h 头文件中的参数 FF_VOLUMES（卷或逻辑驱动器的数量） 定义；例如，FF_VOLUMES = 2，可用的逻辑驱动器号范围是0 ~ 1
- 若路径为空字符串（“”），则使用默认驱动器
- 2）opt ：格式化选项，可通过位掩码组合
- FM_FAT：强制格式化为 FAT12/16
- FM_FAT32：强制格式化为 FAT32
- FM_EXFAT：强制格式化为 exFAT（需启用 _FS_EXFAT）
- FM_ANY：自动选择 FAT 类型（默认行为）
- FM_SFD：创建“超级软盘”（无 MBR，卷从首扇区开始）
- 3）au：分配单元（簇）大小（字节）
- 若设为 0，FatFs 自动选择最优值
- 必须为扇区大小的整数倍（如 512、1024、4096）
- 4）work：工作缓冲区指针
- 指向临时缓冲区的指针，用于在格式化过程中存储临时数据（如 FAT 表、目录结构等）
- 5）size：工作缓冲区大小
- 缓冲区大小至少为 1 个扇区（建议 FF_MAX_SS，即最大扇区大小）。
- 1）path：指定要格式化的卷的路径
- （1）函数原型
- f_mount函数
- （1）函数原型
- （2）参数详解
- 1）fs：指向一个用户定义的 FATFS 结构体实例，用于存储文件系统信息
- 挂载时：传入已分配内存的 FATFS 对象指针
- 卸载时：传入 NULL
- 生命周期：需在挂载期间保持有效，卸载后可释放（ free(fs) ）
- 2）path：指定要挂载的卷的路径
- 格式：逻辑驱动器号 + 根目录，如 “0:/”、“1:/”
- 驱动器号范围：由 ffconf.h 头文件中的参数 FF_VOLUMES（卷或逻辑驱动器的数量） 定义；例如，FF_VOLUMES = 2，可用的逻辑驱动器号范围是0 ~ 1
- 若路径为空字符串（“”），则使用默认驱动器
- 3）opt：选项
- 0：延迟挂载，注册逻辑驱动器但不立即挂载，首次访问卷时自动挂载
- 1：立即挂载，强制挂载并检查文件系统有效性，若卷未准备好则返回错误
- 1）fs：指向一个用户定义的 FATFS 结构体实例，用于存储文件系统信息
- （3）使用示例
- 1）挂载
- 2）卸载
- 1）挂载
- （1）函数原型
- f_open函数
- （1）mode参数
- （1）mode参数
5.3 工程源码
/***************************** Include Files *********************************/
#include "stdio.h"
#include "string.h"
#include "xparameters.h"
#include "xstatus.h"
#include "ff.h"
/************************** Constant Definitions *****************************/
#define FILE_NAME "test.txt"
/**************************** Type Definitions *******************************/
/***************** Macros (Inline Functions) Definitions *********************/
/************************** Function Prototypes ******************************/
FRESULT SdCardInit(FATFS* FatFsObjPtr);
/************************** Variable Definitions *****************************/
char SrcStrBuffer[30] = "Hello Ryan, Good Luck.";
char DestStrBuffer[30] ={0};
FATFS FileSysObj;
FIL FileObj;
/*****************************************************************************/
int main()
{
//
FRESULT Status;
UINT BytesWrite;
UINT BytesRead;
//
printf("SD Card Test.\n");
// 挂载SD卡
Status = SdCardInit(&FileSysObj);
if (Status != FR_OK) {
printf("Error : failed to mount fatfs.\n");
return XST_FAILURE;
}
/*
* 写文件
*/
Status = f_open(&FileObj, FILE_NAME, FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);
if (Status != FR_OK) {
printf("Error : failed to open file.\n");
return XST_FAILURE;
}
f_write(&FileObj, SrcStrBuffer, (UINT)strlen(SrcStrBuffer), &BytesWrite);
if (Status != FR_OK) {
printf("Error : failed to write file.\n");
return XST_FAILURE;
}
else {
puts(SrcStrBuffer);
printf("%u bytes were written into file.\n", BytesWrite);
}
f_close(&FileObj);
/*
* 读文件
*/
Status = f_open(&FileObj, FILE_NAME, FA_READ);
if (Status != FR_OK) {
printf("Error : failed to open file.\n");
return XST_FAILURE;
}
f_read(&FileObj, DestStrBuffer, (UINT)30, &BytesRead);
if (Status != FR_OK) {
printf("Error : failed to read file.\n");
return XST_FAILURE;
}
else {
puts(DestStrBuffer);
printf("%u bytes were read from file.\n", BytesRead);
}
f_close(&FileObj);
// 比较字符串
if (strcmp(SrcStrBuffer, DestStrBuffer) == 0) {
printf("SD Card Test Completed.\n");
}
else {
printf("SD Card Test Failed.\n");
}
//
return XST_SUCCESS;
}
/*****************************************************************************/
FRESULT SdCardInit(FATFS* FatFsObjPtr)
{
//
FRESULT Status;
TCHAR *Path = "0:/";
BYTE work[FF_MAX_SS];
// 挂载SD卡（到一个具体的文件系统对象上）
Status = f_mount(FatFsObjPtr, Path, 1);
if (Status != FR_OK) {
printf("Error : logical drive needs to be formatted.\n");
//格式化SD卡
Status = f_mkfs(Path, FM_FAT32, 0, work, sizeof(work));
if (Status != FR_OK) {
printf("Error : failed to format logical drive.\n");
return Status;
}
//格式化之后，重新挂载SD卡
Status = f_mount(FatFsObjPtr, Path, 1);
if (Status != FR_OK) {
printf("Error : failed to mount logical drive.\n");
return Status;
}
}
//
return Status;
}
/*****************************************************************************/
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