SD存儲卡接口SD模式的FPGA實(shí)現(xiàn)

SD存儲卡接口定義了兩種通信模式，SD模式和SPI模式。分析了SD傳輸協(xié)議后，給出了一種SD模式設(shè)備接口的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)能夠自動解析主機(jī)發(fā)送的命令并響應(yīng)，與Flash控制器相連后可以對Flash進(jìn)行讀寫操作。為了解決數(shù)據(jù)存取的時(shí)序問題，使用了數(shù)據(jù)緩存技術(shù)。FPGA驗(yàn)證表明，該接口能夠被電腦識別為SD卡，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1 引言

SD卡(Secure Digital Card)是“安全數(shù)碼存儲卡”的簡稱，于1999年8月由美國SanDisk公司、日本東芝和松下公司共同開發(fā)研制成功。隨著數(shù)碼產(chǎn)品的廣泛使用，目前SD卡已經(jīng)成為消費(fèi)數(shù)碼產(chǎn)品設(shè)備中最廣泛的一種存儲卡。在手機(jī)中，大量的安全增值業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)就是通過SD接口實(shí)現(xiàn)的。SD物理層規(guī)范定義了兩種可選擇的通信協(xié)議：SD模式和SPI模式。

本文在研究了SD物理層規(guī)范的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)SD設(shè)備接口SD模式的前端設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了FPGA原型驗(yàn)證。

2 SD存儲卡接口SD模式介紹的書寫規(guī)則

SD卡與控制器之間通過以下9線連接：時(shí)鐘CLK、命令CMD、數(shù)據(jù)D0～D3、電源VDD和兩根地線VSS。其總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。命令和響應(yīng)在CMD線上傳輸，數(shù)據(jù)在D0(標(biāo)準(zhǔn)總線模式)或D0～D3(寬總線模式)線上傳輸。

SD卡的所有命令都是6字節(jié)長度。一個(gè)命令總是以起始位(0)開始，后跟傳輸方向位(1)，接下是6位命令索引，然后是32位命令參數(shù)，CRC7校驗(yàn)位，結(jié)束位(1)。SD的響應(yīng)分為R1、R1b、R2、R3、R6、R7六種，其中R1、R1b、R3、R6、R7為6字節(jié)長度。R2為17字節(jié)長度，用于讀取SD卡的CID/CSD寄存器內(nèi)容。一個(gè)響應(yīng)總是以起始位(0)開始，后跟一個(gè)傳輸方向位(0)。除了R3響應(yīng)類型，所有的響應(yīng)都有CRC保護(hù)。以一個(gè)結(jié)束位(1)結(jié)束。SD數(shù)據(jù)傳輸以塊為單位，每個(gè)塊總是由數(shù)據(jù)起始位(0)、數(shù)據(jù)位、CRC16校驗(yàn)位和數(shù)據(jù)結(jié)束位(1)組成。

圖1 SD卡SD模式的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 整體設(shè)計(jì)架構(gòu)

本設(shè)計(jì)的一端為SD存儲卡標(biāo)準(zhǔn)接口，與讀卡器連接。為了使接口有通用性，另一端與Flash控制器連接，從而達(dá)到與不同型號Flash連接的目的。本設(shè)計(jì)是連接讀卡器和Flash控制器的一個(gè)中間模塊。能夠?qū)ψx卡器發(fā)送的命令進(jìn)行解析并響應(yīng)，通過Flash控制器對Flash進(jìn)行讀寫操作。整體設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)方案

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)SD接口功能，將其進(jìn)行詳細(xì)的劃分，由以下幾個(gè)部分組成：命令收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，狀態(tài)控制模塊和校驗(yàn)?zāi)K。SD模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.1 命令收發(fā)模塊

該模塊的結(jié)構(gòu)如圖4所示。命令接收與響應(yīng)發(fā)送都是在命令線CMD上傳輸?shù)?，所以該端口為一個(gè)三態(tài)門，由輸出使能信號En控制是否輸出。命令接收時(shí)，首先檢測命令起始位，檢測到起始位后計(jì)數(shù)器開始工作。當(dāng)接收完一個(gè)完整命令，發(fā)出接收完成信號End，分別得到移位寄存器中對應(yīng)的命令索引，命令參數(shù)，命令校驗(yàn)。命令接收過程中，同時(shí)將數(shù)據(jù)傳給CRC7校驗(yàn)?zāi)K，用于生成校驗(yàn)數(shù)據(jù)。響應(yīng)發(fā)送時(shí)，模塊根據(jù)狀態(tài)控制模塊給出的響應(yīng)類型產(chǎn)生對應(yīng)的響應(yīng)內(nèi)容，當(dāng)接收到發(fā)送使能信號Start后，給出發(fā)送使能信號En，并將響應(yīng)的內(nèi)容通過移位寄存器發(fā)送出去。響應(yīng)內(nèi)容發(fā)送完成后給出響應(yīng)完成信號Rsp_over。

圖3 模塊結(jié)構(gòu)

圖4 命令接收與響應(yīng)模塊

4.2 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

該模塊的結(jié)構(gòu)如圖5所示。數(shù)據(jù)線也是雙向的。Width信號指明當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸模式為標(biāo)準(zhǔn)總線模式或?qū)捒偩€模式。Size信號指示每個(gè)數(shù)據(jù)塊包含的字節(jié)數(shù)。該模塊包含兩個(gè)數(shù)據(jù)緩沖，接收緩沖RxFIFO和發(fā)送緩沖TrFIFO，數(shù)據(jù)緩沖位寬16比特，深度為256，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)塊最大為512字節(jié)。數(shù)據(jù)接收狀態(tài)時(shí)，首先檢測數(shù)據(jù)起始位，檢測到起始位后計(jì)數(shù)器開始工作。接收Size個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后，接收CRC16校驗(yàn)位，最后完成數(shù)據(jù)塊接收，發(fā)出接收完成信號End。數(shù)據(jù)接收過程中，每接收16位數(shù)據(jù)給出寫入信號Wr，將數(shù)據(jù)寫入RxFIFO。如果RxFIFO滿，給出Busy信號，主機(jī)進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送等待。數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)時(shí)，接收控制器收到Start信號后，開始發(fā)出Rd信號讀取TrFIFO數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳給移位寄存器，使能數(shù)據(jù)輸出控制信號Out_en，移位寄存器根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸模式將數(shù)據(jù)輸出。

圖5 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

4.3 狀態(tài)控制模塊

根據(jù)接收模塊傳送的命令編號產(chǎn)生與之對應(yīng)的命令響應(yīng)類型，進(jìn)一步解析接收模塊傳送的命令參數(shù)。工作過程共有9個(gè)狀態(tài)，狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移關(guān)系如圖6所示。接收到CMD0命令后都會從其它狀態(tài)進(jìn)入到空閑狀態(tài)。

圖6 狀態(tài)轉(zhuǎn)移

4.4 校驗(yàn)?zāi)K

CRC7負(fù)責(zé)校驗(yàn)命令收發(fā)模塊中的命令和響應(yīng);CRC16負(fù)責(zé)校驗(yàn)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊中的數(shù)據(jù)。

5 驗(yàn)證與測試

開發(fā)測試平臺使用的是Altera的CycloneII系列FPGA開發(fā)板。開發(fā)板上有一個(gè)SD接口。測試平臺的實(shí)物如圖7所示。開發(fā)板可以通過一個(gè)PCB板SD接口與電腦SD接口連接，利用電腦對設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7 測試平臺

在硬件調(diào)試過程中，采用內(nèi)嵌式邏輯分析儀(SignalTapII)來采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)波形。圖8是采集到的識別SD卡命令與響應(yīng)波形圖。從圖中可以看出，該設(shè)計(jì)可以正確響應(yīng)主機(jī)命令，完成識別過程。

圖9中虛線所圈是將設(shè)計(jì)下載到FPGA開發(fā)板，與電腦相連接后被識別為SD存儲卡標(biāo)記，可以看出該設(shè)計(jì)可以被電腦正確識別。

6 結(jié)束語

本文實(shí)現(xiàn)了一種SD存儲卡接口SD模式IP核的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該設(shè)計(jì)能夠?qū)χ鳈C(jī)命令進(jìn)行自動解析和回復(fù)，與Flash控制器連接后可以直接對Flash進(jìn)行讀寫操作。對該設(shè)計(jì)進(jìn)行FPGA功能驗(yàn)證，能夠被電腦識別為SD接口，從而說明的設(shè)計(jì)的正確性和實(shí)用性。利用SYNOPSYS公司的EDA工具對該模塊進(jìn)行綜合，并進(jìn)行時(shí)序和面積的優(yōu)化，在SMIC0。18μm工藝下最大工作頻率為100MHz，整個(gè)設(shè)計(jì)綜合后為0.6萬門。

圖8 通信過程

圖9 電腦識別