đọc dữ liệu từ sd card và hiển thị lên lcd sử dụng kit de2 của altera

Điều khiển vào ra trong Nios II Trong mục này, chúng ta sẽ quan tâm đến việc đọc và ghi dữ liệu vào các thanh ghi như thế nào... SD Card Page 7 - Để tìm địa chỉ của các thanh ghi, chúng

SD Card Page 2

SD Card

Group 3 – K52

Contents

1 Giới thiệu 4

1.1 Giới thiệu thành viên 4

1.2 Tổng quan hệ thống 5

1.3 Phần việc cụ thể 5

1.4 Kết quả đạt được 5

2 Giới thiệu công nghệ sử dụng 5

2.1 Phần cứng 5

2.1.1 SD Card 5

2.1.2 Kit DE2 5

2.2 Phầm mềm 6

2.2.1 Quatus II 6

2.2.2 Nios II 6

3 Sơ đồ khối của hệ thống 9

3.1 SD Card 9

3.2 Khối xử lý Nios II 10

3.3 Khối hiển thị 10

4 SD Card 10

4.1.1 Sơ đồ chân và các chế độ của SD Card 10

4.1.2 Định dạng lưu trữ trong SD Card 16

4.2 Các thanh ghi trong SD Card 22

4.2.1 OCR (operation conditions register) 23

4.2.2 CID 23

4.3 Cách gửi lệnh và nhận phản hồi 24

4.3.1 CRC 24

SD Card Page 3

4.3.2 Command 25

4.3.3 Response 27

4.4 Phương pháp truyền nhận dữ liệu 30

4.4.1 Card Initialization and Card Initializatio 30

4.4.2 Data transfer Mode 31

4.4.3 Read Data 32

4.5 Đọc ghi một file dữ liệu vào trong SD card 33

4.5.1 Đọc một file 33

4.5.2 Ghi một file 33

5 LCD 16x2 34

6 Kết luận 34

7 Tài liệu tham khảo 35

8 Phụ lục A: Các hàm sử dụng trong hệ thống: 36

SD Card Page 4

1 Giới thiệu

1.1 Giới thiệu thành viên

Thông tin cá nhân của các thành viên Nhóm 1

Vũ Hữu Tiệp (Nhóm trưởng)

FAT

Lê Thái Hưng

Mobile: 0972 186 249

Mail: hung.kstn.k52@gmail.com

Công việc chính: Viết các thủ tục đọc dữ

liệu trong SD Card

Lê Anh Văn

Mobile: 0936 845 488 Mail: vanla3190@gmail.com Công việc chính: Tìm hiểu các chế độ, thanh ghi, thủ tục đọc thẻ SD

- Xây dựng hệ thống NIOS II điều khiển, thực hiện lệnh giao tiếp với SD card

- Giao tiếp và hiển thị lên màn hình LCD

Trong đề tài này, chúng tôi sử dụng 1 SD Card có dung lượng 2G, định dạng FAT16

2.1.2 Kit DE2

DE2 ( Development and Education ) la một công cụ cho việc thiết kế nâng cao các thiết

bị đa phương tiện, lưu trữ và mạng

DE2 sử dụng công nghệ state-of- the-art trong cả phần cứng và các công cụ thiết kế nhờ máy tính giúp mở rộng phạm vi ứng dụng DE2 có nhiều tính năng phù hợp với cả việc

sử dụng trong các phòng lab và các hệ thống số tinh vi Altera cung cấp các công cụ hỗ

Hình 2.1 Tổng quan về SOPC và Nios II

Khi học một vi điều khiển mới, chúng ta sẽ quan tâm đến một số vấn đề:

- Điều khiển vào ra

- Trễ

- Ngắt

Bây giờ chúng ta sẽ đi vào từng vấn đề

2.2.2.1 Điều khiển vào ra trong Nios II

Trong mục này, chúng ta sẽ quan tâm đến việc đọc và ghi dữ liệu vào các thanh ghi như thế nào

SD Card Page 7

- Để tìm địa chỉ của các thanh ghi, chúng ta tìm các định nghĩa của chúng trong file

system.h trong thư mục /projectname_syslib[system_0]/Debug/system_desciption

- Tiếp theo, chúng ta quan tâm đến 2 macro đọc / ghi dữ liệu từ / vào các thanh ghi

Bảng 2.1 Macro đọc ghi dữ liệu trong Nios II

IORD(BASE, REGNUM) Đọc giá trị của thanh ghi tại Offset REGNUM

trong 1 device có địa chỉ cơ sở là BASE

IOWR(BASE, REGNUM, DATA) Ghi giá trị DATA vào thanh ghi tại địa chỉ offset

REGNUM trong 1 device có địa chỉ BASE

BUTTON, SWITCH, LEDR, LEDG có REGNUM = 0 và được định nghĩa lại trong thư viện

altera_avalon_pio_regs.h cho dễ sử dụng:

#define IORD_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(base) IORD(base, 0)

#define IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_DATA(base, data) IOWR(base, 0, data)

2.2.2.2 Hàm trễ

Trong Nios II có 2 hàm trễ được xây dựng sẵn là msleep và usleep

volatile int *value = (volatile int*) context;

*value = IORD_ALTERA_AVALON_PIO_EDGE_CAP( BUTTON_PIO_BASE );

}

Đoạn code trên thực hiện công việc ngắt nút bấm, khi bấm 1 trong 4 nút KEY0-KEY3

- Hàm void buttons_isr( void* context, alt_u32 id) là chương trình con phục vụ ngắt Khi có ngắt nút bấm xảy ra, nút được bấm sẽ tương ứng với giá trị trả về của value, cụ thể:

Bảng 2.2 Giá trị tương ứng với các nút bấm khi khởi tạo ngắt

Key is pressed Value

- Hàm void buttons_interrupt_enable() là hàm khởi tạo ngắt

Ta quan tâm tới một hàm quan trọng:

SD Card Page 9

alt_irq_register( BUTTON_PIO_IRQ, (void *) &button, buttons_isr );

Câu lệnh này thực hiện công việc:

Khi có ngắt nút bấm, thực hiện công việc được mô tả trong chương trình con phục vụ ngắt void buttons_isr( void* context, alt_u32 id), giá trị trả về của hàm này được lưu trong biến toàn cục button

Để xác định nút bấm nào được enable ngắt, ta xét câu lệnh cuối cùng:

IOWR_ALTERA_AVALON_PIO_IRQ_MASK( BUTTON_PIO_BASE, DATA );

Theo thứ tự từ KEY3 đến KEY0, để enable ngắt, ta cho bit thứ 4, 3, 2, 1 của DATA bằng 1

3 Sơ đồ khối của hệ thống

Avalon bus

NIOS II Core

LCD Controler

SRAM Controler

SD card Controler

SDRAM Controler

Giao tiếp trong SD Card dựa trên giao tiếp bằng 9 chân ( Clock, Command, 4 chân Data,

3 chân nguồn) có tần số làm việc lớn nhất là 50MHz sử dụng điện áp thấp Khối điều khiển giao tiếp SD Card cũng hỗ trợ giao tiếp với thẻ Multimedia ( thực chất khác biệt giữa SD Card và Multimedia Card là quá trình khởi tạo)

Hình 4.1 Sơ đồ chân thẻ SD

SD Card Page 11

Bảng 4.1 Các chân trong 2 chế độ của SD Card

1 CD/DAT3 Card detect/Data line[Bit 3] CS Chip Select

3 VSS1 Supply voltage ground VSS Supply voltage ground

6 VSS2 Supply voltage ground VSS2 Supply voltage ground

8 DAT1 Data line[Bit 1]

9 DAT2 Data line[Bit 2]

4.1.1.2 Các chế độ của SD Card

 SD mode

SD mode có 4 đường truyền dữ liệu Data[0]- Data[4] và 1 đường truyền lệnh CMD Giao tiếp qua SD bus chủ yếu dựa trên các lệnh và tín hiệu phản hồi , khởi tạo bằng bit bắt đầu và bit kết thúc

 Lệnh (command) : là tín hiệu điều khiển việc giao tiếp được host truyền đi tới các

SD card 1 command gồm 48bits chứa mã lệnh, các đối số và mã CRC(7) Comand được truyền trên đường CMD

 Phản hồi (response): là tín hiệu do Card gửi trả lại host sau mỗi command nhận trước đó Cấu trúc của Response thường gồm 48 hoặc 136 bits bao gồm nội dung phản hồi và mã CRC( 7 hoặc 16) Tín hiệu phản hồi cũng được truyền qua đường CMD

SD Card Page 12

Hình 4.2 Định dạng gói Respones

 Dữ liệu (data): dữ liều được truyền hai chiểu từ card đến host và ngược lại Host trong chế độ SD sử dụng 1 hoặc cả 4 đường Data để truyền dữ liệu Dữ liệu luôn được truyền theo từng khối (block), kết thúc mỗi block là mã CRC SD Card hỗ trợ truyền từng block và truyền nhiều block trong một lượt

Có 2 dạng gói dữ liệu được sử dụng trong SD mode

o 8 bit-width: dữ liệu được truyền theo từng byte, trong đó byte LSB (Least

Significant Byte) được gửi trước, MSB cuối cùng Tuy nhiên trong từng byte , MSB (Most significant bit) lại được gửi trước và LSB cuối cùng

SD Card Page 13

Hình 4.3 Định dạng gói dữ liệu – dữ liệu thông thường

SD Card Page 14

o Wide width data:

Hình 4.4 Định dạng gói dữ liệu – độ rộng dữ liệu

 Quá trình đọc: bắt đầu khi host gửi yêu cầu đến card, card sẽ gửi trả bằng tín hiệu

Response sau đó dữ liệu sẽ được card gửi (tùy vào lệnh mà dữ liệu sẽ gồm nhiều

block hay chỉ 1 block) , cuối cùng host phát lệnh dừng đọc

Hình 4.5 Quy trình đọc một block dữ liệu

SD Card Page 15

Đọc nhiều block:

Hình 4.6 Quy trình đọc nhiều block dữ liệu

 Quá trình ghi: tương tự như quá trình đọc, sau khi host gửi command , nếu card

gửi response chấp nhận và host sẽ gửi dữ liệu

Hình 4.7 Quy trình ghi một block dữ liệu

Ghi nhiều block:

Hình 4.8 Quy trình ghi nhiều gói dữ liệu

 SPI mode:

Chế độ SPI sử dụng một đường dữ liệu và 1 đường tín hiệu CS nên có nhược điểm là

tốc độ chậm hơn chế độ SD mode

Chế độ SPI trong giao tiếp với SD Card được thực hiện dựa trên chế độ SD Mode (

sử dụng phương thức giao tiếp và một số lệnh) Khác với chế độ SD Mode dựa trên

SD Card Page 16

lệnh (command) và chuỗi bit truyển, dùng bit khởi đầu và kết thúc; SPI Mode chủ yếu dựa trên cơ sở byte Mỗi lệnh hay khối dữ liệu đều tạo bởi các byte và căn theo chu kì của 8 xung clock (tín hiệu CS) Giao tiếp giữa host và card được điều khiển bới host (host điều khiển xung CS)

Qua trình đọc và ghi trong chế độ SPI giống như trong chế độ SD

4.1.2 Định dạng lưu trữ trong SD Card

Trong project ta chỉ quan tâm đến FAT16 do dung lượng thẻ nhớ nhỏ hơn 2GB.Với SD Card, ta chỉ dùng 1 phân vùng partion (tức là chỉ dùng mục 1.1.2.2)

Đơn vị lưu trữ nhỏ nhất trên đĩa là sector gồm 512 byte Ta chỉ thao tác trên đơn vị này

mà không thể đọc ghi dữ liêu từng đơn vị byte một Để quản lí đĩa và theo dõi sector nào

đã sử dụng và sector nào còn trống có thể cấp phát cho các file mới, DOS sử dụng một cấu trúc gọi là bảng FAT FAT là viết tắt của "File Allocation Table" tạm dịch là "Bảng cấp phát tập tin" FAT được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1977 với phiên bản FAT12 Sau đó là các phiên bản FAT16 và FAT32

4.1.2.1 Cấu trúc ổ đĩa cứng sử dụng FAT16

4.1.2.1.1 Master Boot Record:

Nằm ở sector đầu tiên của đĩa cứng ở cylinder 0, Head 0, Sector 1 Nó chứa đoạn code đầu tiên mà máy tính chạy sau khi khởi động và bắt đầu quản lý các chương trình trong đĩa cứng Nó còn chứa bảng phân vùng để xác định các phân vùng khác nhau trong đĩa cứng Nếu có lỗi xảy ra ở 512 byte này thì nguy cơ thay ổ cứng mới là rất lớn !

Bảng 4.2 Master Boot Record

SD Card Page 17

4.1.2.1.2 Chỉ mục phân vùng (Partion)

Bảng 4.3 Chỉ mục phân vùng

00h Trạng thái hiện thời của phân vùng( 00h= không hoạt

động, 80h= hoạt động)

1 byte

02h Bắt đầu của phân vùng( Cylinder/ Sector) (bảng dưới) 1 word

06h Kết thúc của phân vùng( Cylinder/ Sector) 1 word

08h Số sector giữa MBR và sector đầu tiên của phân vùng 1 double word

4.1.2.1.3 Mã hóa cylinder/Sector

Để lấy được Sector từ mục trên ta thực hiên phép AND với 3Fh ( lấy 6 bit cuối)

Để lấy được số Cylinder ta lấy byte cao thực hiện phép OR với byte thấy đã được dịch trái 2 lẩn sau khi AND với C0h

SD Card Page 18

0Eh Giống như 06h, nhưng sử dụng LBA1 13h Extensions

0Fh Giống như 05h, nhưng sử dụng LBA1 13h Extensions

4.1.2.1.5 Đọc nhiều phân vùng:

Vì FAT 16 giới hạn 2GB cho mỗi partion, vì vậy nên đĩa cứng thường phải quản lý nhiều phân vùng Phân vùng đầu tiên là phân vùng chính( primary partion) và các phân vùng còn lại được lưu trong phân vùng mở rộng ( Extended Partition) Chỉ mục phân vùng đầu tiên chỉ đến phân vùng chính, chỉ mục thứ hai trong bảng lưu địa chỉ phân vùng mở rộng

Để đọc các phân vùng này đầu tiên phải đọc sector đầu tiên của các phân vùng mở rộng, Sector này giống hệt như MBR nhưng không có các đoạn code Và trong bảng chỉ mục phân vùng, chỉ mục phân vùng đầu tiên sẽ chỉ đến phân vùng mở rộng thứ hai, chỉ mục phân vùng tiếp theo sẽ chỉ đến phân vùng mở rộng khác giống như trên Trong phân vùng

mở rộng, địa chỉ sẽ được tính lại từ bảng MBR mới

o Chỉ mục thứ hai: Chỉ đến các phân vùng khác sau phân vùng 2

Tại đây ta có Giá trị giữa MBR đến sector đầu tiên của phân vùng ( lưu tại địa chỉ offset

08h trong bảng Chỉ mục phân vùng) và Số Sector của phân vùng (lưu tại địa chỉ offset

Och) sẽ được tính từ bảng MBR mới mà không phải từ MBR của đĩa cứng

Nếu muốn đọc phân vùng tiếp theo ta lại đến bảng MBR kế

 MBR của các phân vùng tiếp:

o Chỉ mục thứ nhất: Chỉ đến phân vùng 3

o Nếu không có phân vùng nào nữa thì để trống

SD Card Page 19

4.1.2.2 Cấu trúc của Partion sử dụng FAT16

4.1.2.2.1 Mô tả đĩa cứng FAT 16

Bảng 4.6 Loại phân vùng

Bắt đầu + số sector được định trước (reserved sector)

Bảng FAT

Bắt đầu + số sector được định trước + ( Số sector trong bảng FAT*2)

Bảng Root (Root Directory Entry) Bắt đầu + số sector được định trước + ( Số

sector trong bảng FAT*2) + ((Số Root Directory Entry lớn nhất*32)/ Số byte trong 1 Sector)

Vùng dữ liệu (Bắt đầu tại cluster thứ 2)

4.1.2.2.2 FAT16 Boot Record

Nằm ở sector đầu tiên của tất cả các partion

Bảng 4.7 FAT16 Boot Record

13h Số sector trong phân vùng nhỏ hơn 32MB 1 word

15h Mô tả phương tiện lưu trữ ( f8h cho đĩa cứng) 1 byte

18h Số sector trong 1 track cho ngắt 13h 1 word

SD Card Page 20

36h Tên loại FAT ( FAT12 hoặc FAT 16) 8 byte

4.1.2.2.3 Bảng FAT - Ý nghĩa của Cluster

Một Cluster là một tập hợp các Sector chứa thông tin trong đĩa cứng.Một Cluster 16K chứa 32 Sector (512*32=16384) Mỗi một Cluster được biểu diễn bằng một ô trong bảng FAT Khi nhìn vào số của các ô trong bảng FAT ta có thế biết được cluster đó đã có dữ liệu hay chưa, dữ liệu đã kết thúc hay chưa, nếu chưa thì ở cluster nào sau nó Tất cả dữ liệu trong 1 phân vùng đều bắt đàu từ cluster thứ hai (ngay sau Root Directory) Nếu ô có giá trị 0 thì cluster ứng với nó không có dữ liệu, nếu ô có giá trị FFFFh thì đó là ô cuối cùng trong chuỗi dữ liệu

Mỗi một file trong thẻ SD phải được lưu bắt đầu từ 1 cluster Ngoài ra file có thể trải dài trên nhiều cluster khác nhau (không nhất thiết liên tục) Bảng FAT lập ra để chỉ ra khi đọc

1 file, chương trình cần đọc ở những cluster nào

Bảng 4.8 Ý nghĩa của các mã FAT

FFF8h-FFFFh Cluster đã có dữ liệu, Cluster cuối cùng của file

Ví dụ: bảng FAT có 2 file, 1 file ở cluster (2,3,6), file còn lại ở (4,7)

0003 0006 0007 0000 FFFF FFFF 0000 0000 0000

SD Card Page 21

4.1.2.2.4 Bảng Root:

Bảng 4.8 Bảng Root

Name Offset Size Description

ATTR_SYSTEM|

ATTR_VOLUME_ID

DIR_CrtTimeTenth 13 1 Có giá trị hợp lệ từ 0 – 200 Tương đương

với 2 giây (10 milisecond – một đơn vị) Chứa giá trị giây của thời điểm tạo file DIR_CrtTime 14 2 Chứa thời điểm tạo file

DIR_CrtDate 16 2 Chứa ngày tạo file

DIR_LstAccDate 18 2 Chứa thời điểm cuối cùng truy nhập

DIR_FstClusHI 20 2 Chứa 2 byte đầu của địa chỉ file (hay 2

byte đầu tiên của số thứ tự của sector đầu tiên chứa file) Luôn luôn là 0 đối với FAT16

DIR_WrtTime 22 2 Chứa thời gian cuối cùng ghi thẻ

DIR_WrtDate 24 2 Chứa ngày cuối cùng ghi thẻ

DIR_FstClusLO 26 2 Chứa 2 byte thấp của địa chỉ file

DIR_FileSize 28 4 Kích thước file

DIR_Name[0]:

Nhận giá trị 0x00, 0xE5: Entry này rỗng Nếu tên file bắt đầu là 0xE5 thì DIR_Name[0]

= 0x05

DIR_Name[0] không thể là 0x20 Kí tự ‘.’ Không được biểu diễn trong trường này

Ngoài ra, DIR_Name không có các kí tự sau:

SD Card Page 22

 Giá trị nhỏ hơn 0x20 ngoại trừ kí tự đăc biệt 0x05 như nói ở trên

 0x22, 0x2A, 0x2B, 0x2C, 0x2E, 0x2F, 0x3A, 0x3B, 0x3C, 0x3D, 0x3E, 0x3F, 0x5B, 0x5C, 0x5D, 0x7C

Date and Time:

Ngày: gồm có 2 byte (tức 16 bit) dựa trên cơ sở ngày 01/01/1980 như sau

 Bit 0 – 4: Ngày: giá trị 1 – 31

 Bit 5 – 8: Năm: giá trị từ 1 – 12

 Bit 9 – 15: Sô lượng năm tính từ 1980 Khoảng giá trị 0 – 127 (tức là

từ 1980 – 2107) Thời gian: gồm có 2 byte (16 bit)

 Bit 0 – 4: cứ 2 giây / đơn vị Giá trị hợp lệ 0 – 29 (tức là 0 – 58 giây)

 Bit 5 – 10: Phút: giá trị từ 0 – 59

 Bit 11 – 15: Giờ: giá trị hợp lệ từ 0 –23Như vậy, giá trị có thể biểu diễn được từ 00:00:00 đến 23:59:58

4.2 Các thanh ghi trong SD Card

Bảng 4.9 Các thanh ghi của SD Card

Tên Độ rộng Mô tả

CID 128 Chỉ số của Card; nếu có nhiều Card, mỗi Card sẽ có một

CID khác nhau

RCA 16 Relative card address; địa chỉ hệ thống của một Card

DSR 16 Driver Stage Register; để cấu hình driver đầu ra của Card

CSD 128 Card Specific Data; thông tin về điều kiện hoạt động của

Card

SCR 64 SD Configuration Register;

OCR 32 Thanh ghi điều kiện hoạt động

SSR 512 SD Status; thông tin về các tính chất của Card

Ta chỉ quan tâm tới 2 thành ghi đặc biệt: OCR và CID