基于ARM9的SD/MMC卡控制器的ASIC設(shè)計(jì)

引言

　　如今多媒體數(shù)碼產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，其中，各種音頻視頻等功能的不斷增強(qiáng)，使得系統(tǒng)對(duì)于存儲(chǔ)介質(zhì)的性能，容量，安全等方面的要求與日俱增。MMC卡和SD卡均是基于flash的存儲(chǔ)設(shè)備，近年來(lái)，它們以高存儲(chǔ)容量，快速的數(shù)據(jù)傳輸速率，加上極大的移動(dòng)靈活性和更高的安全性已經(jīng)成為閃存市場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，其廣泛應(yīng)用于手機(jī)，MP3,MP4,掌上電腦等各種產(chǎn)品中?？梢?，其已經(jīng)成為面向便攜式數(shù)碼電子產(chǎn)品的SOC芯片中通用的功能接口。

　　文章設(shè)計(jì)的SD/MMC控制器基于一款3G手機(jī)基帶芯片，其內(nèi)核采用ARM926EJ，系統(tǒng)總線架構(gòu)為AMBA，控制器連接到APB總線上。通過(guò)分析SD卡和MMC卡的規(guī)范，利用Verilog HDL實(shí)現(xiàn)了符合該規(guī)范的SD/MMC卡控制器IP核，該IP在SMIC的0.13um標(biāo)準(zhǔn)單元工藝庫(kù)下對(duì)模型進(jìn)行了綜合和優(yōu)化。

　　1 SD/MMC卡控制器工作原理

　　SD（Secure Digital）卡和MMC（Multi Media Card）卡是市面上常見的兩種數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡。SD卡向下兼容MMC卡。

　　兩者基本特性相同，只是在數(shù)據(jù)接口以及傳輸模式上有一些區(qū)別：SD卡的數(shù)據(jù)線為4根，而MMC卡只有1根；SD卡支持安全性保護(hù)；而MMC卡支持比特流傳輸（不限長(zhǎng)傳輸，即必須接受到停止命令時(shí)才停止傳輸）。

　　控制器就是通過(guò)SD/MMC總線對(duì)SD/MMC卡進(jìn)行初始化，讀，寫等一系列操作。其總線包括時(shí)鐘線CLK，命令線CMD,數(shù)據(jù)線DAT3-DAT0（MMC卡只有DAT0）等。上電后，控制器必須按一定的總線協(xié)議傳輸命令給卡，使其初始化。總線上一共有三種數(shù)據(jù)格式：命令包，響應(yīng)包，數(shù)據(jù)包。由于在傳輸中數(shù)據(jù)和命令均有可能出錯(cuò)，命令帶有7位的CRC校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)帶有16位的CRC校驗(yàn)碼。

　　控制器對(duì)卡進(jìn)行讀操作時(shí)，將接收到的串行數(shù)據(jù)（可能是比特流，也可能是多塊）轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，存入FIFO.寫操作也是相同的，控制器將并行數(shù)據(jù)從FIFO里面取出，串行發(fā)出。

　　SD/MMC 卡的工作時(shí)鐘來(lái)源于控制器，對(duì)卡的命令或數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗胁僮骶c該時(shí)鐘同步。該時(shí)鐘可以通過(guò)控制器進(jìn)行配置，以適應(yīng)不同工作狀態(tài)中卡正常工作所需的不同時(shí)鐘頻率。需要注意的是，SD 卡的最大工作頻率是25Mhz，MMC 卡的最大工作頻率是20Mhz.

　　總之，控制器不僅要輸出合適的工作時(shí)鐘，還要完成對(duì)命令/響應(yīng)以及數(shù)據(jù)讀寫的正常工作，并針對(duì)命令和數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC 校驗(yàn)，中斷的及時(shí)產(chǎn)生和清除。

　　2 控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 模塊劃分

　　在整個(gè)SOC 中，我們這片TD 基帶芯片采用的是ARM926EJ-S 內(nèi)核，系統(tǒng)架構(gòu)為AMBA 總線。在設(shè)計(jì)中，將SD/MMC 卡控制器作為APB 的SLAVE 掛在APB 總線上，ARM 通過(guò)APB 總線來(lái)訪問(wèn)和控制該模塊。本模塊主要分為接口模塊，CMD 控制模塊及DATA 控制模塊三部分。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

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圖1 SD/MMC 控制器結(jié)構(gòu)

　　接口模塊實(shí)現(xiàn)與ARM 的APB 總線相連接，通過(guò)該模塊，ARM 可以對(duì)相應(yīng)寄存器進(jìn)行讀寫，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)本模塊和外部存儲(chǔ)卡的控制。其讀寫時(shí)序按照APB 總線讀寫時(shí)序，具體見文獻(xiàn)。

　　CMD 控制模塊主要發(fā)送和接收CMD 線上的信號(hào)?？刂破靼l(fā)送給卡的命令長(zhǎng)度固定為48bit，而從卡接收到的響應(yīng)長(zhǎng)度不固定，有短應(yīng)答（48bit）和長(zhǎng)應(yīng)答（136bit）之分。

　　其中，包含CRC7 的子模塊，不管是命令還是響應(yīng)，均要用到CRC 校驗(yàn)。

　　DATA 控制模塊主要是通過(guò)RXDATA 數(shù)據(jù)線接收數(shù)據(jù)，并通過(guò)TXDATA 發(fā)送數(shù)據(jù)。主要的數(shù)據(jù)傳輸方式有兩種：比特流數(shù)據(jù)傳輸和多塊數(shù)據(jù)傳輸，另外，該控制器還支持無(wú)響應(yīng)包數(shù)據(jù)傳輸。為確保傳輸?shù)恼_，包含了CRC16 校驗(yàn)的子模塊。

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