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【正点原子FPGA连载】 第十二章SD卡读写TXT文本实验--摘自【正点原子】领航者 ZYNQ 之嵌入式开发指南

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出0入234汤圆

发表于 2020-7-28 11:21:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 正点原子 于 2020-10-24 10:25 编辑

1)实验平台:正点原子领航者ZYNQ开发板
2)平台购买地址:https://item.taobao.com/item.htm?&id=606160108761
3)全套实验源码+手册+视频下载地址:http://www.openedv.com/docs/boards/fpga/zdyz_linhanz.html
4)对正点原子FPGA感兴趣的同学可以加群讨论:876744900
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5)关注正点原子公众号,获取最新资料


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第十二章SD卡读写TXT文本实验



SD存储卡是一种基于半导体快闪记忆器的记忆设备。它具有体积小、传输速度快、支持热插拔等优点,在便携式装置领域得到了广泛的应用,如手机、多媒体播放器等。本章我们将使用ZYNQ开发板学习如何对SD卡(这里特指Micro SD卡,即TF卡)进行TXT文本的读写操作。
本章包括以下几个部分:
11.1简介
1.2实验任务
1.3硬件设计
1.4软件设计
1.5下载验证



简介
我们开发板上的SD卡接口为小卡的设计,可以连接Micro SD卡(也叫TF卡),在介绍TF卡之前,我们先来介绍一下较大的一种存储卡,即SD卡。
SD卡介绍
SD卡的英文全称是Secure Digital Card,即安全数字卡(又叫安全数码卡),是在MMC卡(Multimedia Card,多媒体卡)的基础上发展而来,主要增加了两个特色:更高的安全性和更快的读写速度。SD卡和MMC卡的长度和宽度都是32mm x 24mm,不同的是,SD卡的厚度为2.1mm,而MMC卡的厚度为1.4mm,SD卡比MMC卡略厚,以容纳更大容量的存贮单元,同时SD卡比MMC卡触点引脚要多,且在侧面多了一个写保护开关。SD卡与MMC卡保持着向上兼容,也就是说,MMC卡可以被新的SD设备存取,兼容性则取决于应用软件,但SD卡却不可以被MMC设备存取。SD卡和MMC卡可通过卡片上面的标注进行区分,如下图左侧图片上面标注为“MultiMediaCard”字母样式的为MMC卡,右侧图片上面标注为“SD”字母样式的为SD卡。
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图 12.1.1 MMC外观图(左)和SD卡外观图(右)

上图中右侧图片的SD卡实际上为SDHC卡,SD卡从存储容量上分为3个级别,分别为:SD卡、SDHC卡(Secure Digital High Capacity,高容量安全数字卡)和SDXC卡(SD eXtended Capacity,容量扩大化的安全存储卡)。SD卡在MMC卡的基础上发展而来,使用FAT12/FAT16文件系统,SD卡采用SD1.0协议规范,该协议规定了SD卡的最大存储容量为2GB;SDHC卡是大容量存储SD卡,使用FAT32文件系统,SDHC卡采用SD2.0协议规范,该协议规定了SDHC卡的存储容量范围为2GB至32GB;SDXC卡是新提出的标准,不同于SD卡和SDHC卡使用的FAT文件系统,SDXC卡使用exFAT文件系统,即扩展FAT文件系统。SDXC卡采用SD3.0协议规范,该协议规定了SDXC卡的存储容量范围为32GB至2TB(2048GB),一般用于中高端单反相机和高清摄像机。
下表为不同类型的SD卡采用的协议规范、容量等级及支持的文件系统。
表 12.1.1 SD卡的类型、协议规范、容量等级及支持的文件系统
SD卡类型        协议规范        容量等级        支持文件系统
SD        SD1.0        <2GB        FAT12,FAT16
SDHC        SD2.0        2GB至32GB        FAT32
SDXC        SD3.0        32GB至2TB(2048GB)        exFAT
不同协议规范的SD卡有着不同速度等级的表示方法。在SD1.0协议规范中(现在用的较少),使用“X”表示不同的速度等级;在SD2.0协议规范中,使用SpeedClass表示不同的速度等级;SD3.0协议规范使用UHS(Ultra High Speed)表示不同的速度等级。SD2.0规范中对SD卡的速度等级划分为普通卡(Class2、Class4、Class6)和高速卡(Class10);SD3.0规范对SD卡的速度等级划分为UHS速度等级1和3。不同等级的读写速度和应用如下图所示。
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图 12.1.2 SD卡不同速度等级表示法

SD卡共有9个引脚线,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]六根信号线;在SPI模式下,共用到CS(SDIO_DAT[3])、CLK(SDIO_CLK)、MISO(SDIO_DAT[0])、MOSI(SDIO_CMD)四根信号线。SD卡接口定义以及各引脚功能说明如图 12.1.3所示。
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图 12.1.3 SD卡接口定义以及各引脚功能说明

市面上除标准SD卡外,还有Micro SD卡(原名TF卡),是一种极细小的快闪存储器卡,是由SanDisk(闪迪)公司发明,主要用于移动手机。MicroSD卡插入适配器(Adapter)可以转换成SD卡,其操作时序和SD卡是一样的。MicroSD卡接口定义以及各引脚功能说明如图 12.1.4所示。
阿莫论坛发帖领航者专用12212.png

图 12.1.4 MicroSD卡接口定义以及各引脚功能说明

标准SD卡2.0版本中,工作时钟频率可以达到50Mhz,在SDIO模式下采用4位数据位宽,理论上可以达到200Mbps(50Mx4bit)的传输速率;在SPI模式下采用1位数据位宽,理论上可以达到50Mbps的传输速率。因此SD卡在SDIO模式下的传输速率更快,同时其操作时序也更复杂。值得一提的是,ZYNQ内部集成了两个SD卡控制器,并且Xilinx SDK的standalone已经移植好了FATFS(SDK软件中叫做xilffs)文件系统,因此在SDK中添加xilffs库后,就可以在程序中使用FATFS中的API函数来操作SD卡。
SD卡控制器(SD/SDIO Controller)
ZYNQ中的SD卡控制器符合SD2.0协议规范,接口兼容eMMC、MMC3.31、SDIO2.0、SD2.0、SPI,支持SDHC、SDHS器件。SD卡控制器支持SDMA(单操作DMA)、ADMA1(4K边界限制DMA)和ADMA2(在32位系统中允许任何位置和任意大小)。ARM处理器通过AHB总线访问SD卡控制器,SD控制器采用读和写通道各自双缓冲FIFO的机制提高吞吐带宽。其内部框图如下图所示:
阿莫论坛发帖领航者专用12788.png

图 12.1.5 SD卡控制器内部框图

SD控制器读写通道采用独立的512字节深度的双缓冲FIFO执行读和写操作。在写操作时,处理器向其中一个FIFO写数据,将另一个FIFO的数据写到SD总线;在读操作时,SD总线上的数据向其中一个FIFO写数据,处理器将数据从另一个FIFO读出数据。SD卡控制器通过双缓冲机制以保证最大带宽。
FATFS文件系统
FATFS是一个完全开源免费的FAT文件系统模块,专门为小型的嵌入式系统而设计。它完全用标准C语言编写,所以具有良好的硬件平台独立性,可以很方便的移植到各种嵌入式处理器中。Xilinx SDK的standalone已经移植好了FATFS文件系统,因此在SDK中添加xilffs库后,就可以在程序中使用FATFS中的API函数来操作SD卡。
FATFS的特点如下:
1、结构清晰,代码量少,文件系统和IO底层分开,特别适合新手入门学习;
2、支持最多10个逻辑盘符和两级文件夹;
3、支持FAT12/FAT16和FAT32文件系统;
4、支持长文件名称。
FATFS的这些特点,加上开源、免费的原则,使得FATFS的应用非常广泛。FATFS模块的层次结构如图 12.1.6所示:
阿莫论坛发帖领航者专用13363.png

图 12.1.6 FATFS层次结构图

最顶层是应用层,使用者无需理会FATFS的内部结构和复杂的FAT协议,只需要调用FATFS 模块提供给用户的一系列应用接口函数,如f_open,f_read,f_write和f_close等,就可以像在 PC上读/写文件那样简单。
中间层FATFS模块,实现了FAT文件读/写协议。FATFS模块提供的是ff.c和ff.h。除非有必要,使用者一般不用修改,使用时将头文件直接包含进去即可。
FATFS模块提供的底层接口,它包括存储媒介读/写接口(disk I/O)和供给文件创建修改时间的实时时钟。
关于FATFS源码以及API函数的介绍,大家可以在:http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html这个网站上查看。
实验任务
本章的实验任务是通过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。
硬件设计
我们的领航者ZYNQ开发板上面有一个SD卡接口,可以连接Micor SD卡(TF卡),原理图如下图所示:
阿莫论坛发帖领航者专用13941.png

图 12.3.1 Micro SD卡原理图

图 12.3.1中的U8(TXS02612RTWR)是一个电平转换芯片,实现了1.8V和3.3V电平转换的功能。由于TF卡引脚连接到ZYNQ的BANK501,BANK501的IO电平为1.8V,而TF的IO电平是3.3V,因此这里添加一个电平转换芯片,用来转换IO的电平。值得注意的是,TF卡的CD信号连接到了PS的MIO 10引脚,MIO 10引脚位于ZYNQ的BANK500,IO电平为3.3V。SD_CD信号是TF卡检测信号,用于标志开发板是否连接了TF卡。
从实验任务我们可以画出如下的系统框图,DDR3中存放和运行程序、SD卡控制器驱动TF卡,UART实现串口通信。
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图 12.3.2 系统框图

由系统框图可知,本次实验在ZYNQ嵌入式最小系统的基础上,添加了SD卡控制器,用于驱动TF卡。需要说明的是,TF卡连接的是PS的MIO端口,因此本次实验没有用到PL的资源。
这里简单介绍下ZYNQ PS的配置界面,如图 8.3.2所示。配置界面选择的是UART0 MIO14..MIO15和SD0 MIO40..MIO45。
阿莫论坛发帖领航者专用14593.png

图 12.3.3 外设IO配置界面

需要注意的是,TF卡的引脚连接到ZYNQ的Bank 1端口(BANK501),Bank 1的IO电压为1.8V,因此在MIO的配置界面将Bank1的电压改为“LVCMOS 1.8V”。如图 12.3.4图 12.1.4所示:
阿莫论坛发帖领航者专用14818.png

图 12.3.4 MIO配置界面

图 12.3.4中勾选了CD信号,CD信号用于指示当前开发板有没有连接TF卡,这里勾选中CD信号,并将引脚分配至MIO 10。
嵌入式系统最终搭建的框图如图 12.3.5所示。
阿莫论坛发帖领航者专用15033.png

图 12.3.5 嵌入式系统框图界面

软件设计
在硬件设计的最后,我们打开了SDK开发环境。
在菜单栏中选择File->New->Application Project,新建一个SDK应用工程。
在弹出的界面中工程名命名为micro_sd_rw,点击“NEXT”,选择“Empty Application”,点击“Finish”按钮完成SDK应用工程的创建。
接下来添加FATFS库。需要注意的是,先关闭system.mss的界面(如图 12.4.1所示),再添加FATFS库,否则有可能导致FATFS库添加失败。
阿莫论坛发帖领航者专用15376.png

图 12.4.1 关闭system.mss

system.mss界面关闭后,右击micro_sd_rw_bsp,选择“Board Support Package Setting”。如图 12.4.2所示:
阿莫论坛发帖领航者专用15564.png

图 12.4.2 打开板级支持包设置

在弹出的界面中勾选“xilffs”,xilffs即为FATFS库,如图 12.4.3所示:
阿莫论坛发帖领航者专用15714.png

图 12.4.3 勾选xilffs

勾选后,会在左侧Overview的standalone一栏出现xilffs,点击xilffs。可以看到use_lfn的默认设置为false,即不使能。use_lfn用于设置是否使能长文件名以及文件名的小写字母,这里将use_lfn设置为true,点击“OK”按钮完成设置。如图 12.4.4所示:
阿莫论坛发帖领航者专用15966.png

图 12.4.4 使能use_lfn

设置完成后,在sd_rw_txt_bsp→ps_cortexa9_0→libsrc一栏下,会多出FATFS的库函数。如图 12.4.5所示:

阿莫论坛发帖领航者专用16142.png

图 12.4.5 xilffs_v4_0库函数

添加完FATFS库之后,对TF卡的操作会简单很多,我们只需要在程序中调用FATFS的库函数即可。
接下来新建一个源文件。在micro_sd_rw/src目录上右键,选择New->Source File,在弹出的对话框中Source file一栏我们输入文件名“main.c”,然后点击“Finish”。
我们在新建的main.c文件中输入以下代码:
  1. 1   #include "xparameters.h"
  2. 2   #include "xil_printf.h"
  3. 3   #include "ff.h"
  4. 4   #include "xdevcfg.h"
  5. 5   
  6. 6   #define FILE_NAME "ZDYZ.txt"                //定义文件名
  7. 7   
  8. 8   const char src_str[30] = "www.openedv.com"; //定义文本内容
  9. 9   static FATFS fatfs;                         //文件系统
  10. 10  
  11. 11  //初始化文件系统
  12. 12  int platform_init_fs()
  13. 13  {
  14. 14      FRESULT status;
  15. 15      TCHAR *Path = "0:/";
  16. 16      BYTE work[FF_MAX_SS];
  17. 17  
  18. 18      //注册一个工作区(挂载分区文件系统)
  19. 19      //在使用任何其它文件函数之前,必须使用f_mount函数为每个使用卷注册一个工作区
  20. 20      status = f_mount(&fatfs, Path, 1);  //挂载SD卡
  21. 21      if (status != FR_OK) {
  22. 22          xil_printf("Volume is not FAT formated; formating FAT\r\n");
  23. 23          //格式化SD卡
  24. 24          status = f_mkfs(Path, FM_FAT32, 0, work, sizeof work);
  25. 25          if (status != FR_OK) {
  26. 26              xil_printf("Unable to format FATfs\r\n");
  27. 27              return -1;
  28. 28          }
  29. 29          //格式化之后,重新挂载SD卡
  30. 30          status = f_mount(&fatfs, Path, 1);
  31. 31          if (status != FR_OK) {
  32. 32              xil_printf("Unable to mount FATfs\r\n");
  33. 33              return -1;
  34. 34          }
  35. 35      }
  36. 36      return 0;
  37. 37  }
  38. 38  
  39. 39  //挂载SD(TF)卡
  40. 40  int sd_mount()
  41. 41  {
  42. 42      FRESULT status;
  43. 43      //初始化文件系统(挂载SD卡,如果挂载不成功,则格式化SD卡)
  44. 44      status = platform_init_fs();
  45. 45      if(status){
  46. 46          xil_printf("ERROR: f_mount returned %d!\n",status);
  47. 47          return XST_FAILURE;
  48. 48      }
  49. 49      return XST_SUCCESS;
  50. 50  }
  51. 51  
  52. 52  //SD卡写数据
  53. 53  int sd_write_data(char *file_name,u32 src_addr,u32 byte_len)
  54. 54  {
  55. 55      FIL fil;         //文件对象
  56. 56      UINT bw;         //f_write函数返回已写入的字节数
  57. 57  
  58. 58      //打开一个文件,如果不存在,则创建一个文件
  59. 59      f_open(&fil,file_name,FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);
  60. 60      //移动打开的文件对象的文件读/写指针     0:指向文件开头
  61. 61      f_lseek(&fil, 0);
  62. 62      //向文件中写入数据
  63. 63      f_write(&fil,(void*) src_addr,byte_len,&bw);
  64. 64      //关闭文件
  65. 65      f_close(&fil);
  66. 66      return 0;
  67. 67  }
  68. 68  
  69. 69  //SD卡读数据
  70. 70  int sd_read_data(char *file_name,u32 src_addr,u32 byte_len)
  71. 71  {
  72. 72      FIL fil;         //文件对象
  73. 73      UINT br;         //f_read函数返回已读出的字节数
  74. 74  
  75. 75      //打开一个只读的文件
  76. 76      f_open(&fil,file_name,FA_READ);
  77. 77      //移动打开的文件对象的文件读/写指针     0:指向文件开头
  78. 78      f_lseek(&fil,0);
  79. 79      //从SD卡中读出数据
  80. 80      f_read(&fil,(void*)src_addr,byte_len,&br);
  81. 81      //关闭文件
  82. 82      f_close(&fil);
  83. 83      return 0;
  84. 84  }
  85. 85  
  86. 86  //main函数
  87. 87  int main()
  88. 88  {
  89. 89      int status,len;
  90. 90      char dest_str[30] = "";
  91. 91  
  92. 92      status = sd_mount();           //挂载SD卡
  93. 93      if(status != XST_SUCCESS){
  94. 94          xil_printf("Failed to open SD card!\n");
  95. 95          return 0;
  96. 96      }
  97. 97      else
  98. 98          xil_printf("Success to open SD card!\n");
  99. 99  
  100. 100     len = strlen(src_str);         //计算字符串长度
  101. 101     //SD卡写数据
  102. 102     sd_write_data(FILE_NAME,(u32)src_str,len);
  103. 103     //SD卡读数据
  104. 104     sd_read_data(FILE_NAME,(u32)dest_str,len);
  105. 105
  106. 106     //比较写入的字符串和读出的字符串是否相等
  107. 107     if (strcmp(src_str, dest_str) == 0)
  108. 108         xil_printf("src_str is equal to dest_str,SD card test success!\n");
  109. 109     else
  110. 110         xil_printf("src_str is not equal to dest_str,SD card test failed!\n");
  111. 111
  112. 112     return 0;
  113. 113   }
复制代码

在main函数中,实现的功能是向TF卡中读写TXT文本,并比较写入的数据和读出的数据是否一致。程序首先调用sd_mount()函数挂载TF卡,接下来根据待写入字符串的长度,通过sd_write_data()函数和sd_read_data()函数对TF卡中的TXT文本进行写入和读出,然后比较写入和读出的值,并打印比较的结果值,如代码中第86行至第113行所示。
sd_mount()函数实现的功能是挂载TF卡,并返回挂载的结果。sd_mount()函数里通过调用platform_init_fs()函数实现对TF卡的挂载,如果挂载不成功,则格式化TF卡,并重新挂载TF卡。在使用任何其它文件系统函数之前,必须先对TF卡进行挂载,sd_mount()函数如代码中第39至第50行所示,platform_init_fs()函数如代码中第12至第37行所示。需要注意的是,挂载函数同样会对硬件进行检查,如果未插入TF卡,会导致SD卡挂载失败。
sd_write_data()函数在TF卡中打开一个文本,并写入程序开头定义的字符数组“www.openedv.com”。写入之前,先通过f_open函数打开一个文件名为“ZDYZ.txt”的文件,如果不存在,则在TF卡中创建该文件。随后通过f_lseek函数移动已打开文件对象的读写指针,为0则代表移动到文件的开头位置。接下来通过f_write函数向打开的文件中写入数据,写完之后则通过f_close函数关闭该文件。如代码的第52行至67行代码所示。
sd_read_data()函数从TF卡的TXT文本中读出数据。TF卡的读操作和写操作类似,读数据的函数为f_read函数,如代码中第69行至第84行代码所示。
下载验证
首先我们将下载器与领航者底板上的JTAG接口连接,下载器另外一端与电脑连接。然后使用Mini USB连接线将开发板左侧的USB_UART接口与电脑连接,用于串口通信。接下来插入TF卡(TF卡插槽位于开发板背面)。最后连接开发板的电源,并打开电源开关。领航者开发板连接TF卡的正面图和背面图如图 12.5.1和图 12.5.2所示:
阿莫论坛发帖领航者专用110501.png

图 12.5.1 开发板连接TF卡正面图

阿莫论坛发帖领航者专用110567.png

图 12.5.2 开发板连接TF卡背面图

在SDK软件下方的SDK Terminal窗口中点击右上角的加号设置并连接串口。然后在应用工程uart_intr_loop上右击,选择“Run As”,然后选择第一项“1 Launch on Hardware (System Debugger)”。
软件程序下载完成后,在下方的SDK Terminal中可以看到应用程序打印的信息,如下图所示:
阿莫论坛发帖领航者专用110806.png

图 12.5.3 打印SD卡读写测试结果

由上图可知,显示写入的字符和读出的字符一致,说明TF卡读写测试成功。
接下来从开发板的卡槽中取出TF卡,通过连接读卡器来插入电脑的USB接口,此时可以看到TF中的文件内容如所示。
阿莫论坛发帖领航者专用110962.png

图 12.5.4 创建的TXT文本

打开“ZDYZ.txt”文本,可以看到文本的内容,如下图所示:
阿莫论坛发帖领航者专用111057.png

图 12.5.5 TXT文本内容

TXT文本的内容为“www.openedv.com”字符串,和串口中打印的字符串一致,说明本次实验在领航者ZYNQ开发板上面下载验证成功。

阿莫论坛20周年了!感谢大家的支持与爱护!!

一只鸟敢站在脆弱的枝条上歇脚,它依仗的不是枝条不会断,而是自己有翅膀,会飞。

出16170入6148汤圆

发表于 2020-8-3 20:12:09 来自手机 | 显示全部楼层
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