【Sipeed TangNano9K开发板试用体验】+ 移植FatFS，为RISCV添加FAT32文件系统

FPGA

本帖最后由辛一_e1e 于 2022-3-26 11:43 编辑

      Sipeed基于高云FPGA（型号GW1NR）打造的TangNano9K板载了TF（Micro SD）卡槽，通过4线SPI与FPGA的Pin脚进行连接。
      在以往基于纯数字逻辑设计的FPGA开发中，会设计一个SPI Master模块，然后通过FSM状态机进行SPI的读写。但是由于SD复杂的驱动控制逻辑，势必会使得整个模块臃肿。而基于CPU设计的SD卡驱动，不仅可以利用C语言进行编程，使得控制逻辑清晰明了，而且还可以移植文件系统，使得SD卡资源管理更加人性化。
      为了简化整个系统的开发难度，我选择了高云提供的软核IP——Gowin_PicoRV32。官方提供的IP不仅在资源利用率和时序优化上有所保证，还可以使用官方的IDE——GMD（Gowin MCU Designer）进行C语言开发。
      那么首先需要设计硬件，使用的Gowin FPGA Designer，版本为1.9.8。在IP生成中选择Gowin_PicoRV32，软核最大可以跑到50MHz，这个频率做一些基本控制是绰绰有余的。

打开IP后，可以看到它不单单只有CPU，还挂载了TCM内存和一些常用外设，还提供了AHB和Wishbone总线的扩展，相当人性化。点击每一个模块还支持模块的功能裁剪。

为了留出更多资源更后续开发，我对CPU进行裁剪，去掉了RV32C和RV32M指令集的扩展，关闭了Jtag Debug功能，最后选项如下图。

      然后是定制ITCM和DTCM，由于我选择将程序编译后直接放到ITCM中运行（MCU boot and run in ITCM），所以分给了ITCM 32KB的空间（有点奢侈~），DTCM保持默认16KB。
      外设方面，启用UART来输出打印信息，SPI Master用于与SD卡通信，GPIO用来点灯。我还打开了AHB扩展，并在上面挂载了一片内存用于后续LCD的显存。
      还需要调用PLL，为CPU提供50MHz的时钟，最后绑定好pin脚，生成FPGA的下载文件。
      接下去的工作就要转到GMD中了。参考高云官方文档IPUG910进行开发环境搭建和程序编译，外设的驱动编写可以参考IPUG911，最后程序的下载可以参考IPUG913。
      C的开发环境搭建完成后，就开始进行SD卡驱动和FatFs的移植，这里我将SD卡作为只读设备，编写了相应的驱动。
      SD卡的通信，主要是通过Matser发送CMD命令进行的，驱动见下面代码。

#define SPI_ID 0
uint8_t sd_sendcmd(uint8_t cmd, uint32_t arg, uint8_t crc)
{
uint8_t r1, cnt;
cnt = 0;
wbspi_master_select_slave(PICO_WBSPI_MASTER,SPI_ID);
wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,(cmd | 0x40));
wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,arg>>24);
wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,arg>>16);
wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,arg>>8);
wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,arg);
wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,crc);
do{
r1 = wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
cnt++;
if(cnt > 50) break;
}while(r1 == 0xFF);
return r1;
}

复制代码

基于这个函数，就开始编写SD卡初始化函数，初始化的流程为1、发送大于74个周期的时钟信号，等待SD卡内部逻辑稳定；2、发送CMD0，让SD卡进入IDLE状态；3、发送CMD8，查询卡的型号是不是支持SD 2.0协议；4、这里只处理支持SD 2.0协议的卡，发送CMD55+ACMD41进行初始化；5、发送CMD58，查询卡支不支持SDHC；6、发送CMD9，CMD10，获取SD卡的CID和OCR信息。

uint8_t sd_init(void)
{
uint32_t i;
uint8_t r1;
uint8_t buff[16];
uint8_t cnt = 0;
wbspi_master_select_slave(PICO_WBSPI_MASTER,SPI_ID);
for(i=0; i<1000; i++);
for(i=0; i<10; i++)
wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
r1 = sd_sendcmd(0,0,0x95);
r1 = sd_sendcmd(8,0x1aa,0x87);
if(r1 == 0x01)
{
buff[0] = wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
buff[1] = wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
buff[2] = wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
buff[3] = wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
do{
r1 = sd_sendcmd(55,0,0);
if(r1 != 0x01)
return -1;
r1 = sd_sendcmd(41,0x40000000,1);
cnt++;
if(cnt>100) return -1;
}while(r1!=0);
}
r1 = sd_sendcmd(58,0,0);
if(r1 != 0x00) return -1;
buff[0] = wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
buff[1] = wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
buff[2] = wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
buff[3] = wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
if(buff[0]&0x40)
printf("sdhc rdyrn");
else
printf("sd2.0 rdyrn");
r1 = sd_sendcmd(9,0,0xFF);
if(r1 != 0x00) return -1;
do{
r1 = wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
}while(r1 != 0xFE);
for(i=0; i<16; i++)
{
r1 = wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
}
r1 = sd_sendcmd(10,0,0xFF);
if(r1 != 0x00) return -1;
do{
r1 = wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
}while(r1 != 0xFE);
for(i=0; i<16; i++)
{
r1 = wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
}
return 0;
}

复制代码

下面是SD卡读单块和多块的驱动。

BYTE SD_ReadSingleBlock(UINT sector, BYTE *buffer)
{
BYTE r1;
WORD i;
i=512;
r1 = sd_sendcmd(17, sector, 1); //发送CMD17 读命令
if(r1 != 0x00) return r1;
do{
r1 = wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
}while(r1 != 0xFE);
while(i!=0)
{
*buffer = wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
buffer++;
i--;
}
wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
return 0; //读取正确，返回0
}
BYTE SD_ReadMultiBlock(UINT sector, BYTE *buffer, BYTE count)
{
BYTE r1;
WORD i;
r1 = sd_sendcmd(18, sector, 1); //读多块命令
if(r1 != 0x00) return r1;
while(count != 0){
i = 512;
do{
r1 = wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
}while(r1 != 0xFE);
while(i!=0)
{
*buffer = wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
buffer++;
i--;
}
buffer+=512;
count--;
wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
}
sd_sendcmd(12, 0, 1); //全部传输完成，发送停止命令
wbspi_master_txdata(PICO_WBSPI_MASTER,0xFF);
if(count != 0)
return count; //如果没有传完，返回剩余个数
else
return 0;
}

复制代码

SD卡驱动完成后，开始移植FatFs文件系统，源码下载http://elm-chan.org/fsw/ff/archives.html，选择最新的FatFs R0.14b ，并加入工程。

ffconf.h用于FatFs的定制，这里需要将FF_FS_READONLY的宏改为1，将SD卡作为只读设备。
还需要改写diskio.c文件，适配SD卡。这里只做了最简单的适配，完成了初始化和读，查询状态和获取时间都是空函数。由于宏设置，这两个函数disk_ioctl和disk_write就不管了。