【ZYNQ】SD 卡读写及文件扫描实验

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：

在这里插入图片描述

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 模块的层次结构分为顶层、中间层 FATFS 模块和底层接口。

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。

读写实验

  • 实验平台：黑金 Zynq7035
  • 开发环境：Vivado 2017.4

硬件设计

参考原理图可知，SD 卡接在了 PS_MIO40~45：

在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

ZYNQ PS 做如下配置，配置 Bank 1 为 LVCMOS 1.8V，打开 UART0 和 SD0：

在这里插入图片描述

完善其他配置后生成比特流，导出硬件信息。

软件设计

创建 SDK 工程，在 BSP 设置中选中 xilffs，xilffs 即为 FATFS 库，保存配置：

在这里插入图片描述

添加如下代码：

#include "xparameters.h"
#include "ff.h"
#include "xdevcfg.h"
#include "xil_printf.h"
#include "stdio.h"#define kprintf xil_printf#define SD_FS   "0:/"
#define SD_FILE "0:SD_TEST.txt"static FATFS sd_fatfs;static FRESULT fatfs_init(FATFS *fatfs, TCHAR *path)
{FRESULT res;res = f_mount(fatfs, path, 1);if(res != FR_OK){res = f_mkfs(path, 0, 0);if (res != FR_OK){kprintf("ERROR: Unable to format FATfs.\r\n");return res;}res = f_mount(fatfs, path, 1);if(res != FR_OK){kprintf("ERROR: f_mount returned %d.\r\n", res);return res;}}return res;
}static FRESULT sd_read_data(char *FileName, uint32_t DestinationAddress, uint32_t ByteLength)
{FIL fil;FRESULT res;UINT br;res = f_open(&fil, FileName, FA_READ);if(res){kprintf("ERROR: %s f_open returned %d\r\n", FileName, res);return res;}res = f_lseek(&fil, 0);if(res){kprintf("ERROR: %s f_lseek returned %d\r\n", FileName, res);return res;}res = f_read(&fil, (void*)DestinationAddress, ByteLength, &br);if(res){kprintf("ERROR: %s f_read returned %d\r\n", FileName, res);return res;}res = f_close(&fil);if(res){kprintf("ERROR: %s f_close returned %d\r\n", FileName, res);return res;}return res;
}static FRESULT sd_write_data(char *FileName, uint32_t SourceAddress, uint32_t ByteLength)
{FIL fil;FRESULT res;UINT bw;res = f_open(&fil, FileName, FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);if(res){kprintf("ERROR: %s f_open returned %d.\r\n", FileName, res);return res;}res = f_lseek(&fil, 0);if(res){kprintf("ERROR: %s f_lseek returned %d.\r\n", FileName, res);return res;}res = f_write(&fil, (void*) SourceAddress, ByteLength, &bw);if(res){kprintf("ERROR: %s f_write returned %d.\r\n", FileName, res);return res;}res = f_close(&fil);if(res){kprintf("ERROR: %s f_close returned %d.\r\n", FileName, res);return res;}return res;
}static FRESULT sd_rw_test(void)
{FRESULT res;const char src_str[] = "ZYNQ test SD card write and read!";char dest_str[33];uint32_t len = strlen(src_str);res = sd_write_data(SD_FILE, (uint32_t)src_str, len);if(XST_SUCCESS != res){kprintf("ERROR: fail to write SD Card.\r\n");return res;}else{kprintf("Success to write SD Card.\r\n");}res = sd_read_data(SD_FILE, (uint32_t)dest_str, len);if(XST_SUCCESS != res){kprintf("ERROR: fail to read SD Card.\r\n");return res;}else{kprintf("Success to read SD Card; data: %s \r\n", dest_str);}kprintf("SD Card Write and Read test end.\r\n");return res;}static FRESULT scan_files(char *path)
{FRESULT res;DIR dir;UINT i;static FILINFO fno;res = f_opendir(&dir, path);char pathBuff[256];if(res == FR_OK){for( ; ; ){res = f_readdir(&dir, &fno);if(res != FR_OK || fno.fname[0] == 0){break;}if(fno.fattrib & AM_DIR){i = strlen(path);sprintf(&path[i], "/%s", fno.fname);kprintf("%s \r\n", path);res = scan_files(path);if(res != FR_OK){break;}path[i] = 0;}else{kprintf("%s/%s \r\n", path, fno.fname);strcpy(pathBuff, fno.fname);}}}else{kprintf("Failed - %s", &res);}f_closedir(&dir);return res;
}int main(void)
{kprintf("hello world. \r\n");FRESULT res;res = fatfs_init(&sd_fatfs, SD_FS);if(XST_SUCCESS != res){kprintf("ERROR: fail to open SD Card.\r\n");}else{kprintf("Success to open SD Card.\r\n");}sd_rw_test();scan_files(SD_FS);while(1){}return 0;
}

实验现象

  • 终端输出：

在这里插入图片描述

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