ZYNQ 读写SD卡

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SD卡（Secure Digital Card）是一种常用的可移动存储设备，广泛应用于嵌入式系统中。它具有体积小、容量大、读写速度快、易于携带等特点，在数据存储和传输中发挥着重要的作用。

前言

本实验介绍如何使用Xilinx ZYNQ芯片在SD卡上读写文件。

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Zynq芯片具有SD卡接口，通过该接口可以实现对SD卡的读写操作。SD卡接口通常是通过SPI（Serial Peripheral Interface）或SDIO（Secure Digital Input Output）协议实现的。SPI协议适用于低速的SD卡读写操作，而SDIO协议则适用于高速的读写操作。

FatFs库

本实验是通过调用FatFs库来对SD卡进行读写。

FatFs是一个开源的文件系统模块，提供了简单而灵活的接口，使嵌入式应用程序能够轻松地读取、写入和管理存储在FAT文件系统中的文件。

FatFs支持FAT12、FAT16和FAT32三种主要的FAT文件系统类型，这些类型广泛应用于各种存储介质，如磁盘、SD卡和USB闪存驱动器等。它被广泛用于嵌入式系统中。

FatFs的特点和功能包括：(1)轻量级和可移植性，它的核心代码非常精简，可以根据系统的需求进行裁剪和配置。它的接口设计独立于底层的存储介质和操作系统，因此可以轻松地移植到不同的平台上。(2)多种API函数，用于打开、关闭、读取、写入和管理文件以及目录操作。(3)支持长文件名。(4)可选的缓存机制，FatFs提供了可选的缓存机制，可以加快对存储介质的访问速度。(5) 可靠性和错误处理。

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Vivado工程的编写

我们使用的开发板为ZedBoard。

  1. 本实验使用的Vivado工程延用《ZYNQ 串口打印输出——FPGA Vitis篇》中使用的Vivado工程，大家可以查看该文章来了解Vivado工程的建立。

  2. 修改Vivado工程，勾选SD 0外设。

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  1. 我们使用的开发板为ZedBoard，相关SD卡原理图如下图所示。

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按照原理图的管脚连接方式，设置好MIO Configuration。

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  1. 保存设计，右键点击.bd文件，选择“Generate Output Products…”。

  2. 右键点击.bd文件，选择“Create HDL Wrapper…”。弹出的窗口中选择“Let Vivado manage wrapper and auto-update”，点击“OK”。

  3. 点击Vivado “Flow Navigator”一栏里的“Generate Bitstream”，等待Vivado生成好bit文件后，在菜单栏“File -> Export -> ExportHardware…”导出硬件信息(.xsa文件)，这里就包含了PS端的配置信息。该步骤如有疑问，可以参考以前的文章《ZYNQ串口打印输出——FPGA Vitis篇》。

Vitis工程的编写

  1. 点击 Vivado 菜单“Tools-> Launch Vitis IDE”，启动 Vitis。
  2. 新建 Vitis平台工程。Vitis工程的建立可以参考以前的文章《ZYNQ串口打印输出——FPGA Vitis篇》。
  3. 新建 Vitis应用工程，创建一个名为“SD_DEMO_SDK”的工程，工程模板可以选择“Hello World”。
  4. 在工程平台的Board Support Package Settings里勾选上xilffs文件系统。注意是“standalone alone”模式下。

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  1. 工程主要包含两个文件：main.c、bmp.h。

bmp.h里包含了各种不同像素图片的数据头定义。 main.c里包含3个函数：

void genTestImage(u8 * imageSrc);
void bmp_write(char * name, char *head_buf, char *data_buf);
int main(void);

该工程示例是先通过genTestImage函数生成一张像素为640*480的彩条图片。然后再通过bmp_write函数将图片的数据头（*head_buf）以及图片数据本身（*data_buf）写入SD卡。

  1. 编译工程，将工程下载到硬件板卡上，硬件板卡插上待写入数据的SD卡。

  2. 程序运行完后，串口会打印“sd card write done!”信息。

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  1. 开发板断电，将SD卡插入到电脑上的读卡器。可以在文件游览器看到，此时SD卡上多了一个“COLOR.BMP”文件，打开该文件，可以发现正是我们用genTestImage函数生成一张像素为640*480的彩条图片。

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实验小结

本实验介绍了如何通过调用FatFs库来加载SD卡、在SD卡上创建文件并写入文件。同理读取SD卡上文件是调用FatFs库的f_read函数。本工程的部分源码见附录A。该工程对应的完整源码可以在公众号输入ZYNQ_SD来获取工程的下载链接，工程采用的是Vivado2021.1版本。

附录 A

int main(void)
{

  FRESULT rc;
  genTestImage(gImage_640x480);

  rc = f_mount(&fatfs, "0:/", 0);
  if (rc != FR_OK)
  {
    return 0 ;
  }

  bmp_write("color.bmp", (char *)&BMODE_640x480, (char *)&gImage_640x480) ;
  xil_printf("sd card write done! \n\r");

  return 0;
}

void genTestImage(u8 * imageSrc)
{
  int total = 0;
    for (int idxRow = 0; idxRow < 480; idxRow++)
    {
        for (int idxCol = 0; idxCol < 640; idxCol++)
        {
            if ( idxCol >= 0 && idxCol < 213)
            {
                *(imageSrc + (640*idxRow + idxCol)*3) = 0xFF;
                *(imageSrc + (640*idxRow + idxCol)*3 + 1) = 0x00;
                *(imageSrc + (640*idxRow + idxCol)*3 + 2) = 0x00;
            }
            else if (  idxCol >= 213 && idxCol < 426)
            {
                *(imageSrc + (640*idxRow + idxCol)*3) = 0x00;
                *(imageSrc + (640*idxRow + idxCol)*3 + 1) = 0xFF;
                *(imageSrc + (640*idxRow + idxCol)*3 + 2) = 0x00;
            }
            else if ( idxCol >= 426 && idxCol < 640)
            {
                *(imageSrc + (640*idxRow + idxCol)*3) = 0x00;
                *(imageSrc + (640*idxRow + idxCol)*3 + 1) = 0x00;
                *(imageSrc + (640*idxRow + idxCol)*3 + 2) = 0xFF;
            }
            total++;
        }
    }
}


void bmp_write(char * name, char *head_buf, char *data_buf)
{
  short y,x;
  short Ximage;
  short Yimage;
  u32 iPixelAddr = 0;
  FRESULT res;
  unsigned int br;         // File R/W count

  memset(&Write_line_buf, 0, 1920*3) ;

  res = f_open(&fil, name, FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);
  if(res != FR_OK)
  {
    return ;
  }
  res = f_write(&fil, head_buf, 54, &br) ;
  if(res != FR_OK)
  {
    return ;
  }
  Ximage=(unsigned short)head_buf[19]*256+head_buf[18];    // bm_width
  Yimage=(unsigned short)head_buf[23]*256+head_buf[22];    // bm_height
  iPixelAddr = (Yimage-1)*Ximage*3 ;
  for(y = 0; y < Yimage ; y++)
  {
    for(x = 0; x < Ximage; x++)
    {
      Write_line_buf[x*3 + 0] = data_buf[x*3 + iPixelAddr + 0] ;
      Write_line_buf[x*3 + 1] = data_buf[x*3 + iPixelAddr + 1] ;
      Write_line_buf[x*3 + 2] = data_buf[x*3 + iPixelAddr + 2] ;
    }
    res = f_write(&fil, Write_line_buf, Ximage*3, &br) ;
    if(res != FR_OK)
    {
      return ;
    }
    iPixelAddr -= Ximage*3;
  }

  f_close(&fil);
}