【紫光同創(chuàng)國產(chǎn)FPGA教程】【第八章】SD卡讀寫實驗

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適用于板卡型號：

PGL22G/PGL12G

1. 實驗簡介

SD卡是現(xiàn)在嵌入式設(shè)備重要的存儲模塊，內(nèi)部集成了nand flash控制器，方便了主機(jī)的的管理。本實驗主要是練習(xí)對sd卡的扇區(qū)進(jìn)行讀寫，通常sd卡都有文件系統(tǒng)，可以按照文件名和目錄路徑來讀寫文件，但文件系統(tǒng)非常復(fù)雜，本實驗不做講解，在后續(xù)的實驗中我們通過搜索特定的文件頭來讀特殊的文件，完成音頻播放、圖片讀取顯示等。

2. 實驗原理

2.1 硬件描述

開發(fā)板上裝有一個Micro SD卡座，FPGA通過SPI數(shù)據(jù)總線訪問Micro SD卡, SD卡座和FPGA的硬件電路連接如下：

開發(fā)板SD卡

在SD卡數(shù)據(jù)讀寫速度要求不高的情況下，選用SPI通信模式可以說是一種最佳的解決方案。因為在SPI模式下，通過四條線就可以完成所有的數(shù)據(jù)交換。本實驗將為大家介紹FPGA通過SPI總線讀寫SD卡。要完成SD卡的FPGA讀寫，用戶需要理解SD卡的命令協(xié)議。

2.1 SD卡協(xié)議簡介

SD卡的協(xié)議是一種簡單的命令/響應(yīng)的協(xié)議。全部命令由主機(jī)發(fā)起，SD卡接收到命令后并返回響應(yīng)數(shù)據(jù)。根據(jù)命令的不同，返回的數(shù)據(jù)內(nèi)容和長度也不同。SD卡命令是一個6字節(jié)組成的命令包，其中第一個字節(jié)為命令號， 命令號高位bit7和bit6為固定的“01“，其它6個bit為具體的命令號。第2個字節(jié)到第5個字節(jié)為命令參數(shù)。第6個字節(jié)為7個bit的CRC校驗加1個bit的結(jié)束位。如果在SPI模式的時候，CRC校驗位為可選。如下圖所示，Command表示命令，通常使用十進(jìn)制表示名稱，例如CMD17，這個時候Command就是十進(jìn)制的17。SD卡具體的協(xié)議本實驗不講解，可自行找相關(guān)資料學(xué)習(xí)。

SD卡對每個命令會返回一個響應(yīng)，每個命令有一定的響應(yīng)格式。響應(yīng)的格式跟給它的命令號有關(guān)。在SPI模式中，有三種響應(yīng)格式：R1，R2，R3。

2.2 SD卡2.0版的初始化步驟

1. 上電后延時至少74clock，等待SD卡內(nèi)部操作完成

2. 片選CS低電平選中SD卡

3. 發(fā)送CMD0，需要返回0x01，進(jìn)入Idle狀態(tài)

4. 為了區(qū)別SD卡是2.0還是1.0，或是MMC卡，這里根據(jù)協(xié)議向上兼容的，首先發(fā)送只有SD2.0才有的命令CMD8，如果CMD8返回?zé)o錯誤，則初步判斷為2.0卡，進(jìn)一步循環(huán)發(fā)送命令CMD55+ACMD41，直到返回0x00，確定SD2.0卡

5. 如果CMD8返回錯誤則判斷為1.0卡還是MMC卡，循環(huán)發(fā)送CMD55+ACMD41，返回?zé)o錯誤，則為SD1.0卡，到此SD1.0卡初始成功，如果在一定的循環(huán)次數(shù)下，返回為錯誤，則進(jìn)一步發(fā)送CMD1進(jìn)行初始化，如果返回?zé)o錯誤，則確定為MMC卡，如果在一定的次數(shù)下，返回為錯誤，則不能識別該卡，初始化結(jié)束。（通過CMD16可以改變SD卡一次性讀寫的長度）

6. CS拉高

2.3 SD卡的讀步驟

1. 發(fā)送CMD17（單塊）或CMD18（多塊）讀命令，返回0X00

2. 接收數(shù)據(jù)開始令牌fe（或fc）+正式數(shù)據(jù)512Bytes + CRC校驗2Bytes

默認(rèn)正式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度是512Bytes

2.4 SD卡的寫步驟

1. 發(fā)送CMD24（單塊）或CMD25（多塊）寫命令，返回0X00

2. 發(fā)送數(shù)據(jù)開始令牌fe（或fc）+正式數(shù)據(jù)512Bytes + CRC校驗2Bytes

3. 程序設(shè)計

下面主要對sd_card_top及其子程序進(jìn)行介紹和說明。sd_card_top包含3個子程序，分別為sd_card_sec_read_write.v，sd_card_cmd.v和spi_master.v文件。它們的邏輯關(guān)系如下圖所示：

3.1 sd_card_sec_read_write

以下為sd_card_sec_read_write模塊端口說明：

sd_card_sec_read_write模塊有一個狀態(tài)機(jī)，首先完成SD卡初始化，下圖為模塊的初始化狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換圖，首先發(fā)送CMD0命令，然后發(fā)送CMD8命令，再發(fā)送CMD55，接著發(fā)送ACMD41和CMD16。如果應(yīng)答正常，sd卡初始化完成，等待SD卡扇區(qū)的讀寫命令。

然后等待扇區(qū)讀寫指令，并完成扇區(qū)的讀寫操作，下圖為模塊的讀寫狀態(tài)機(jī)轉(zhuǎn)換圖。

在此模塊中定義了兩個參數(shù)，SD卡的初始化過程是需要先用慢時鐘來發(fā)送命令和配置，等待初始化成功后再用快時鐘來進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。

3.2 sd_card_cmd

sd_card_cmd模塊端口的說明如下：

sd_card_cmd模塊主要實現(xiàn)sd卡基本命令操作，還有上電初始化的88個周期的時鐘，數(shù)據(jù)塊的命令和讀寫的狀態(tài)機(jī)如下。

從SD2.0的標(biāo)準(zhǔn)里我們可以看到，從主控設(shè)備寫命令到SD卡, 最高兩位47~46位必須為“01”，代表命令發(fā)送開始。

所以代碼中都是將48位命令的高八位與十六進(jìn)制0x40做或操作得到的結(jié)果再寫入，所以才有了如下一段代碼：

3.3 spi_master

spi_master模塊主要完成SPI一個字節(jié)的讀寫，當(dāng)SPI狀態(tài)機(jī)在idle的時候，檢測到wr_req的信號為高，會產(chǎn)生8個DCLK，并把datain的數(shù)據(jù)從高位依次輸出到MOSI信號線上。MOSI在8個DCLK的輸出數(shù)據(jù)為datain的值0x58。

同時spi_master程序也會讀取MISO輸入的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成8位的data_out數(shù)據(jù)輸出實現(xiàn)SPI的一個字節(jié)的數(shù)據(jù)讀取。

4. 實驗現(xiàn)象

下載實驗程序后，可以看到LED顯示一個二進(jìn)制數(shù)字，這個數(shù)字是存儲在sd卡中第一扇區(qū)的第一個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是隨機(jī)的，這個時候按鍵KEY2按下，數(shù)字加一，并寫入了sd卡，再次下載程序，可以看到直接顯示更新后的數(shù)據(jù)。

開發(fā)板