1 目的
1． 让自己能真正用SOPC做出一个实际的定西，学习基于SOPC的嵌入式软件开发的基本流程；
2． 了解一些比较实用的定西，比如SD卡，VS1003，TFT等，并且能做到同时操作，而不是简单的流水灯，蜂鸣器，数码管；
3． 了解，熟练掌握一些常用的协议，I2C、 SPI、RS232等，但本次设计中主要使用的是SPI协议；
2 我所做的工作
SOPC的构建，主要是调用一些IP核，使用类似绘制PCB原理图的方法，连线搭建硬件系统。具体参考林正红的《基于SOPC的SDRAM和FLASH的读写实验》。（有兴趣也可以参考《Nios ii 那些事儿》来完成了简单的Nios ii硬件系统设计,同时也可通过http://kingst.cnblogs.com/获得最新版本的《Nios ii 那些事儿》。）
实现了SPI模式下的SD卡的驱动，由于Nios ii硬件SPI的缺陷，其SPI的速率不能改变，而在对SD的驱动过程中，必须要改变SPI的速率才能完成初始化，所以笔者选择使用IO端口模拟4线SPI。
VS1003的驱动，其实V实现了FAT32文件系统与SD卡的挂接。本部分使用的是开源的ZNFAT32文件系统，经过裁剪，实现的功能主要是定位文件，打开文件，读取文件，创建目录，创建文件等功能。（同时也通过http://www.znmcu.cn/softshow.asp?id=47 可以获得ZNFAT32文件系统的源代码）
VS1003能对很多常见格式的音频信号进行解码，比如MP3，WMA，MIDI等，在本设计中只对MP3格式进行解码，以及从SD卡读取MP3格式的音乐送给VS1003解码后播放。
TFT液晶屏的驱动，其实一块液晶屏，有很多需要学习的地方，而在本设计中只是简单的显示了一张位图，在本设计中既没有实现触摸功能，也没有设计GUI，只是实现了从SD卡中读取BMP格式的图片（16位色）交给TFT显示。
音乐系统的实现，综合上面所有的模块，实现从SD卡提取MP3格式的音乐和BMP格式的图片，分别交由VS1003播放音乐和TFT显示图片，因为没有上操作系统的原因，暂时还不能做到同步。
3 本设计的整体构架
图 1 音乐播放系统总体构架
说明：本设计是基于DE2开发板，以Altera的Cyclone II系列的FPGA为主控制器，配上SDRAM和FLASH，使用SOPC技术，构成一个简单的SOPC系统，用于控制SD卡，TFT液晶显示屏，VS1003音频播放模块等，实现自制的简单音乐播放系统。在设计中FPGA通过分别调用Altera库中的IP核来控制Flash和SDRAM，通过模拟的SPI总线来分别控制SD卡，TFT模块，VS1003模块。能实现将SD卡中的MP3格式的音乐交由VS1003模块解码播放，BMP格式的图片交由TFT模块显示。
在设计中，SD卡的最大存储量为4G，在设计中提供的主时钟是50M，在此时钟作用下，IO的翻转速度是5M左右，模拟的SPI速度应该只能在50Kbps左右，所以本设计中VS1003模块支持的解码率应该小于等于48Kbps（数据手册上，VS1003支持的解码率为5~384Kbps）。同样是因为模拟SPI的速率问题，TFT显示屏的刷屏时间应该是0.5S左右。而播放和显示的总容量应该可以到SD卡的最大存储容量4G。
4 具体实现
4.1 硬件部分
4.1.1 SOPC系统构建
NIOS32核，SDRAM FLASH PIO 等IP核的调用。
具体的构建过程可参见林正红的《基于SOPC的SDRAM和FLASH的读写实验》。下面仅对其设置做适当的补充，主要体现在PIO核的调用和IO端口输入输出属性的设置。
本部分要注意对于SDRAM，FLASH的设置须与DE2学习板上的SDRAM，FLASH一致。存储器的类型与属性如下表所示：
地址线宽度（位） 数据线宽度（位）
FLASH 22 8
SDRSM 12 16
表 1 存储器的类型与属性
同时还要知道GPIO模拟SPI之后，各端口属性的设置，如下表所示：
属性 功能说明
模拟CS 输出 片选信号
模拟MOSI 输出 主出从入
模拟MISO 输入 主入从出
模拟TCLK 输出 时钟
表 2 IO端口属性及功能说明
下面简单的介绍PIO核的调用与设置：
设置图如下所示：
图 2 查找PIO IP核
在Altera的库中找到PIO核，双击调用该核，就会出现下图所以的界面，
图 3 设置CS的基本属性
图 4 CS的其他设置
设置PIO的宽度：根据需要设置位宽为1，由于是准备将该IO用来模拟CS信号，所以设置为仅输出。
图 5 MISO的基本设置
图 6 MISO的其它设置
设置PIO的宽度，根据需要设置位宽为1，由于是准备将该IO用来模拟MISO信号，所以设置为仅输入。同时不需要该IO具有中断功能，所以也没有使能中断，也没有给出仿真模型。
图 7 MOSI的基本设置
图 8 MOSI的其它设置
设置PIO的宽度：根据需要设置位宽为1，由于是准备将该IO用来模拟MOSI信号，所以设置为仅输出。
图 9 TCLK的基本设置
图 10 TCLK的其它设置
设置PIO的宽度：根据需要设置位宽为1，由于是准备将该IO用来模拟MOSI信号，所以设置为仅输出。
4.1.2 QuartusII中的整体硬件电路的实现
图 11 硬件总电路图
本设计中需要使用的硬件部分主要有NIOS II软核，PLL核，GPIO核，输入输出接口等部件。
4.2 软件部分
4.2.1 主程序的流程图：
图 12 程序流程图
4.2.2 SPI模式下SD卡驱动
IO模拟SPI的实现
void spi_write(uchar temp)
//使用SPI协议，慢速写一个字节的数据。
unsigned char spi_read()
//使用SPI协议，慢速读一个字节的数据。
void spi_write_fast(uchar temp)
//使用SPI协议，快速写一个字节的数据
实现对寄存器的读与写
unsigned char write_cad_init(unsigned char *pead)
//初始化过程中的，写命令。参数是待写入的命令码。
unsigned char write_cad(unsigned char *pead)
//不在初始化状态时，写命令。参数是待写入的命令码。
通过对寄存器的读写实现对SD的复位初始化等操作
unsigned char SD_reset()
//SD卡的复位函数，返回值为01H，则表明复位成功。
unsigned char SD_init()
//SD卡的初始化函数，返回值为00H，则表明初始化成功
通过对寄存器的读写实现模块读和模块写
unsigned char SD_write_block(unsigned long address,unsigned char *buffer)
//SD卡的模块写函数，返回值的最后三位的值为05H时，表明模块写成功
//参数：参数1指定写入的地址，参数2指定写入的数据
unsigned char SD_read_block(unsigned long address,unsigned char *buffer)
//SD卡的模块读函数，返回值为0，表明模块读成功。
//参数：参数一指定读入的地址，参数2指定读入的数据存放的位置
下面的主要的时序图：
图 13 SPI模式下，驱动SD卡的复位时序
图 14 SPI模式下，驱动SD卡的初始化时序
图 15 SPI模式下，驱动SD卡的模块读时序
图 16 SPI模式下，驱动SD卡的模块写时序
注：
本部分需要仔细参阅数据手册，了解复位（CMD0），初始化（CMD1），读（CMD16），写（CMD24）的命令码的格式，以及最后的校验码。了解它们需要的时序过程，最后能实现的功能，同时了解如何判断这些功能实现了没。在本部分一定要注意对SD卡的初始化需要慢速SPI，而读写就需要使用快速SPI。慢速是为了让SD初始化完成，而快速则是为了让SD卡尽可能发挥的作用。当然要想速度更快，则需使用SD模式来驱动SD卡。因为SPI模式下，SD卡是通过一根线来传输数据，而SD模式下，SD卡是通过四根线来传输数据的。但是SD模式的驱动相对比较复杂，所以我选择驱动SD卡工作在SPI模式下。
要了解SPI协议的基本内容：片选为低时，时钟上升沿，写数据；时钟下降沿，读数据。
同时要严格按照读写的时序操作，要根据SD卡返回的数据，做进一步的处理，特别需要注意补充时钟。
在SPI模式下驱动的SD卡，支持最大的容量是4G。
4.2.3 VS1003 驱动
1）IO模拟SPI的实现
void vs_spi_write_byte(unsigned char data)
// 功能：使用SPI协议 ，写一个字节。
uchar vs_spi_read_byte()
// 功能：使用SPI协议，读一个字节
//返回读出的数据。
2）对寄存器的读写：
void vs_write_reg(uchar address ,uchar datah,uchar datal)
//功能：向寄存器中写入命令码
//参数说明：参数1寄存器的名字，因为VS1003的命令码是32位的，所以//参数2,3 是命令码。
uint vs_read_reg(uchar address)
//功能：从寄存器中读出状态
3）初始化：
void vs_init()
//功能：VS1003的初始化
4）主要时序图：
图 17 VS1003的字读时序
图 18 VS1003的字写时序
注：在本部分中须注意，VS1003的缓存是32BYTE的，所以可以通过考虑快速写入，留出一定的时间来用于同步显示图片，从而达到在没有操作系统的时候，进行伪多任务操作。
4.2.4 TFT驱动
1） 对寄存器的写：
void write_reg(uint reg,uint data)
//功能：使用SPI协议，写寄存器
//参数：参数1指定寄存器，参数2指定命令码
2） 写数据：
void write_data_start()
//功能：开始写数据
void write_data(uint data)
//功能：写数据
void write_end()
//功能：写数据结束
3） 复位：
void tft_reset()
//功能：TFT复位
4） 初始化：
void tft_init()
//功能：TFT的初始化
5） 设置窗口：
void tft_setwindow(uint startx,uint starty,uint endx,uint endy )
//功能：设置显示的窗口，参数是左上角，右下角的横纵坐标。
6） 以某种颜色清屏：
void tft_clearscreen(uint color)；
图 19 TFT主控芯片SSD1289的驱动时序图
注：在本部分中须注意位图文件在SD卡中的存储形式，直接是二进制文件，所以不需要解码，直接显示。但考虑到在SD卡中图片的RGB只能是555模式的，而本来16位色的RGB是565模式的，所以在显示的过程中需要考虑RGB模式的转换。所以我在这个地方进行了简单处理，只做16位色的位图显示，如果是24位时RGB模式的转换相对比较复杂。
4.2.5 文件系统的挂接
1） SD卡的挂接
定义两个指针：
struct znFAT_Init_Arg *pArg;
struct znFAT_Init_Arg sdcard;
完成SD卡与FAT32的挂接：pArg = &sdcard
同时把SD卡的模块读，模块写与FAT32的读写挂接起来：
UINT8 znFAT_ReadSector(UINT32 addr,UINT8 *buf)
{
return SD_read_block(addr,buf);
}
//功能：文件系统读扇区
UINT8 znFAT_WriteSector(UINT32 addr,UINT8 *buf)
{
return SD_write_block(addr,buf);
}
//功能：文件系统写扇区
2） VS1003的挂接
void vs1003_mp3(struct FileInfoStruct *pfi,UINT32 offset)
// 功能： 文件系统从指定的地方区数据，交由VS1003
//参数：参数1，文件信息结构体的指针变量，参数2，指定的地方
3） TFT的挂接
void picture(struct FileInfoStruct *pfi,UINT32 offset)
// 功能： 文件系统从指定的地方区数据，交由TFT
//参数：参数1，文件信息结构体的指针变量，参数2，指定的地方
注：在本部分中，需要基本了解ZNFAT的构建思想（但不需要完全理解ZNFAT文件系统是怎么写出来的），这样才能基于ZNFAT文件系统写出自己的接口函数，本设计中的VS1003模块，TFT液晶屏就是通过一个接口函数与FAT32文件系统挂接起来的。
5.调试过程遇到的问题和解决方式
在调试过程中问题非常的多，下面重点介绍几个我觉得很典型的错误：
5.1 SD卡驱动部分的问题
5.1.1复位始终不能成功
现象：下载程序之后，没有任何的反应，经调试发现程序一直在
while(temp!=0x01); //成功则返回01H处死循环。
原因：
知道是使用SPI协议驱动，但没有注意到在初始化过程中需要使用慢速SPI；
在研究时序时不认真，没有注意到补充时钟的重要性；
校验码没有仔细处理，特别是CMD0的校验码是0x95H，尽管校验码没有什么实际的作用但是还是要正确使用；
刚开始不知道怎么判断CMD0是否写入成功，没有看到返回值01H。
解决办法：
在使用端口模拟的SPI协议中，都加入了10ms左右的延时，在CS拉低之前补充75个时钟周期，CMD0写入完成之后补充8个时钟周期，再读数据输出口的值，若为01H，则表明复位成功。
5.1.2模块写不成功
原因：
因为觉得看到数据手册上面写的校验码不用考虑（don’t care），所以我就只写没有写校验码；
一次写入长度的默认是512BYTE，我也通过CMD21将其改为其他长度，最后在移植文件系统时，才了解一些SD的硬件结构，发现SD卡的一个扇区的容量正好是512BYTE，所以为了降低后续工作的难度，又将长度改回了512BYTE。
开始标志其实可以为任意值，但我居然把标志位设置的与需要写入的数据冲突了。
需要根据数据输出的状态来，判断是否进行下一步的操作，也就是必须检测到命令写入标志之后，才能写入512BYTE的数据，补充8个时钟周期之后，才开始检测写入成功标志。
解决办法：
加上了2个校验码（FFH），没有设置CMD21，将起始标志位改为了FEH，同时在调试的过程中分为了两部，先调试命令是否写入成功，再调试数据是否写入成功。另外，在快速写入的工程中，需要使用快速SPI，所以将慢速SPI中的10ms左右的延时去掉。
5.2 文件系统理解与挂接
在单独调试文件系统和SD卡时都能得到预期的结果，但是在将SD卡与文件系统挂接之后就得不到预期的结果了。
定义两个设备初始化结构体：
struct znFAT_Init_Arg *pArg;
struct znFAT_Init_Arg sdcard;
调试过程中发现，设备初始化结构体指针一直指空。
解决办法：
将设备初始化结构体sdcard的地址赋给设备初始化结构体指针pArg，即： pArg = &sdcard ，完成SD卡与文件系统的挂接。
所以说在定义了某些变量时一定要记得初始化，出现空的变量有时会影响整个程序的调试与运行。
5.3 VS1003的驱动
驱动方式与SD卡的驱动方式类似，而且更为简单，不需要区分快速SPI和慢速SPI，直接全部使用快速SPI。在有前面的基础之后驱动过程中没有太大的问题！主要问题是在数据手册上没有找到写命令码0x02，读命令码0x03.而如果没有这两个命令码的话，整个驱动程序是完全不可能实现的。所以我觉得不一定要完全依靠数据手册，可以多方搜集资料。
5.4 TFT的驱动
5.4.1 用户手册理解错误
图 20 74HC573在TFT模块中总线的使用
在驱动TFT模块的工程中，将用户手册上的原理图理解错误。看到锁存器74HC573，就以为是TFT的数据总线是8位的。所以在开发硬件部分时，将数据总线设置成了8位的。在软件开发完成之后，下载到DE2开发板时，运行，没有任何现象。使用示波器检测数据口的电平，发现TFT的数据总线上，有一部分没有接收到数据。所以就判断自己的总线的位宽设置不正确。进一步研究TFT模块的原理图发现，确实是自己将原理图理解错误。
原理图所表达的意思时，该模块可以支持16位和8位。而在模块上，根本就没有焊接74HC573，所以此种情况下只能使用16位的数据总线。
解决办法：
在硬件设计中，将TFT的数据总线设置为16位的，在软件设计中，修改数据的传输方式。
5.4.2 数据手册有错
在TFT的驱动过程中，需要开发一些基本的窗口设置函数，这样就需要使用指示坐标的寄存器。但是数据手册，有点错误。具体如下图所示：
图 21 SSD1289的错误
6 预期与结果
本来打算是做一个比较完整的基于SOPC的音乐播放器，想要实现如下功能：
播放MP3
显示BMP
具有中文GUI
带有控制功能
实现PCB的制作与调试
最先接触这个题目是因为以前实验室的一个师兄，他就是依靠这样一个类似的系统去应聘周立功公司的，所以我就想自己做个程序试试。刚开始到网上搜资料的时候感觉还是比较难找，后来发现了一个比较好的网站www.ourdev.com，资料会稍微多点，这个上面我学到了很多。当然师兄也给了我很大的帮助，使自己能在3个月内，基本做出了一个音乐播放器的雏形。尽管功能只实现了很小的一部分，但仍感觉有点喜悦感。
现在回想一下，其实也不是特别的难，主要是要学会分解，现在基本分为了4个模块，各个模块之间的前后继承关系，使用VS1003模块和TFT模块的基础是FAT32文件系统，FAT32文件系统的基础是SD卡的驱动。所以，在本设计中最基础，最核心，最难的部分应该是SD卡的驱动以及FAT32文件系统的理解。我建议在初学的时候可以先看看于振南关于SD卡和FAT32文件系统的视频讲解（详见www.znmcu.cn）。在SD卡驱动完成，FAT32文件系统挂接成功之后，接下来的VS1003的驱动，TFT的驱动就比较简单了。各个模块的驱动都完成之后，最后系统的组合联调就很容易了，在主程序要做的就只是对所有IO属性的设定，各个模块的初始化以及文件系统的调用。
7 附录
7.1 参考资料
《DE2_user.pdf》
《SDcard.pdf》
《VS1003.pdf》
《VS1003_user.pdf》
《SSD1289.pdf》
《TFT_user.pdf》
《NIOS II 那些事儿》
振南电子 www.znmcu.com
中国电子开发网www.ourdev.cn