基于FPGA技術(shù)實現(xiàn)SD模式設(shè)備接口的設(shè)計方案

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)計方案。該設(shè)計能夠自動解析主機發(fā)送的命令并響應(yīng)，與Flash控制器相連后可以對Flash進行讀寫操作。為了解決數(shù)據(jù)存取的時序問題，使用了數(shù)據(jù)緩存技術(shù)。FPGA驗證表明，該接口能夠被電腦識別為SD卡，達到了設(shè)計目標。

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)成為消費數(shù)碼產(chǎn)品設(shè)備中最廣泛的一種存儲卡。在手機中，大量的安全增值業(yè)務(wù)設(shè)計就是通過SD接口實現(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，實現(xiàn)SD設(shè)備接口SD模式的前端設(shè)計，并進行了FPGA原型驗證。

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：時鐘CLK、命令CMD、數(shù)據(jù)D0～D3、電源VDD和兩根地線VSS。其總線拓撲結(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（標準總線模式）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。一個響應(yīng)總是以起始位（0）開始，后跟一個傳輸方向位（0）。除了R3響應(yīng)類型，所有的響應(yīng)都有CRC保護。以一個結(jié)束位（1）結(jié)束。SD數(shù)據(jù)傳輸以塊為單位，每個塊總是由數(shù)據(jù)起始位（0）、數(shù)據(jù)位、CRC16校驗位和數(shù)據(jù)結(jié)束位（1）組成。

圖1 SD卡SD模式的總線拓撲結(jié)構(gòu)

3、整體設(shè)計架構(gòu)

本設(shè)計的一端為SD存儲卡標準接口，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，從而達到與不同型號Flash連接的目的。本設(shè)計是連接讀卡器和Flash控制器的一個中間模塊。能夠?qū)ψx卡器發(fā)送的命令進行解析并響應(yīng)，通過Flash控制器對Flash進行讀寫操作。整體設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 設(shè)計方案

4、 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)SD接口功能，將其進行詳細的劃分，由以下幾個部分組成：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?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?a target="_blank">端口為一個三態(tài)門，由輸出使能信號En控制是否輸出。命令接收時，首先檢測命令起始位，檢測到起始位后計數(shù)器開始工作。當接收完一個完整命令，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。命令接收過程中，同時將數(shù)據(jù)傳給CRC7校驗?zāi)K，用于生成校驗數(shù)據(jù)。響應(yīng)發(fā)送時，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信號指明當前數(shù)據(jù)傳輸模式為標準總線模式或?qū)捒偩€模式。Size信號指示每個數(shù)據(jù)塊包含的字節(jié)數(shù)。該模塊包含兩個數(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，這是因為數(shù)據(jù)塊最大為512字節(jié)。數(shù)據(jù)接收狀態(tài)時，首先檢測數(shù)據(jù)起始位，檢測到起始位后計數(shù)器開始工作。接收Size個字節(jié)的數(shù)據(jù)后，接收CRC16校驗位，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，主機進入數(shù)據(jù)發(fā)送等待。數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)時，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，進一步解析接收模塊傳送的命令參數(shù)。工作過程共有9個狀態(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)進入到空閑狀態(tài)。

圖6 狀態(tài)轉(zhuǎn)移

4.4 校驗?zāi)K

CRC7負責(zé)校驗命令收發(fā)模塊中的命令和響應(yīng);CRC16負責(zé)校驗數(shù)據(jù)收發(fā)模塊中的數(shù)據(jù)。

5、 驗證與測試

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SD接口。測試平臺的實物如圖7所示。開發(fā)板可以通過一個PCB板SD接口與電腦SD接口連接，利用電腦對設(shè)計進行驗證。

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)計可以正確響應(yīng)主機命令，完成識別過程。

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

6、結(jié)束語

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

圖8 通信過程

圖9 電腦識別

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