SD存储卡接口SD模式的FPGA实现

        SD存储卡接口定义了两种通信模式，SD模式和SPI模式。分析了SD传输协议后，给出了一种SD模式设备接口的设计方案。该设计能够自动解析主机发送的命令并响应，与Flash控制器相连后可以对Flash进行读写操作。为了解决数据存取的时序问题，使用了数据缓存技术。FPGA验证表明，该接口能够被电脑识别为SD卡，达到了设计目标。
1 引言
SD卡（Secure Digital Card）是“安全数码存储卡”的简称，于1999年8月由美国SanDisk公司、日本东芝和松下公司共同开发研制成功。随着数码产品的广泛使用，目前SD卡已经成为消费数码产品设备中最广泛的一种存储卡。在手机中，大量的安全增值业务设计就是通过SD接口实现的。SD物理层规范定义了两种可选择的通信协议：SD模式和SPI模式。
本文在研究了SD物理层规范的基础上，实现SD设备接口SD模式的前端设计，并进行了FPGA原型验证。
2 SD存储卡接口SD模式介绍的书写规则
SD卡与控制器之间通过以下9线连接：时钟CLK、命令CMD、数据D0～D3、电源VDD和两根地线VSS。其总线拓扑结构如图1所示。命令和响应在CMD线上传输，数据在D0（标准总线模式）或D0～D3（宽总线模式）线上传输。
SD卡的所有命令都是6字节长度。一个命令总是以起始位（0）开始，后跟传输方向位（1），接下是6位命令索引，然后是32位命令参数，CRC7校验位，结束位（1）。SD的响应分为R1、R1b、R2、R3、R6、R7六种，其中R1、R1b、R3、R6、R7为6字节长度。R2为17字节长度，用于读取SD卡的CID／CSD寄存器内容。一个响应总是以起始位（0）开始，后跟一个传输方向位（0）。除了R3响应类型，所有的响应都有CRC保护。以一个结束位（1）结束。SD数据传输以块为单位，每个块总是由数据起始位（0）、数据位、CRC16校验位和数据结束位（1）组成。


图1 SD卡SD模式的总线拓扑结构


       
3 整体设计架构
本设计的一端为SD存储卡标准接口，与读卡器连接。为了使接口有通用性，另一端与Flash控制器连接，从而达到与不同型号Flash连接的目的。本设计是连接读卡器和Flash控制器的一个中间模块。能够对读卡器发送的命令进行解析并响应，通过Flash控制器对Flash进行读写操作。整体设计方案如图2所示。


图2 设计方案

4 结构设计
根据SD接口功能，将其进行详细的划分，由以下几个部分组成：命令收发模块，数据收发模块，状态控制模块和校验模块。SD模块结构如图3所示。
       
4.1 命令收发模块
该模块的结构如图4所示。命令接收与响应发送都是在命令线CMD上传输的，所以该端口为一个三态门，由输出使能信号En控制是否输出。命令接收时，首先检测命令起始位，检测到起始位后计数器开始工作。当接收完一个完整命令，发出接收完成信号End，分别得到移位寄存器中对应的命令索引，命令参数，命令校验。命令接收过程中，同时将数据传给CRC7校验模块，用于生成校验数据。响应发送时，模块根据状态控制模块给出的响应类型产生对应的响应内容，当接收到发送使能信号Start后，给出发送使能信号En，并将响应的内容通过移位寄存器发送出去。响应内容发送完成后给出响应完成信号Rsp＿over。


图3 模块结构


图4 命令接收与响应模块


       
4.2 数据收发模块
该模块的结构如图5所示。数据线也是双向的。Width信号指明当前数据传输模式为标准总线模式或宽总线模式。Size信号指示每个数据块包含的字节数。该模块包含两个数据缓冲，接收缓冲RxFIFO和发送缓冲TrFIFO，数据缓冲位宽16比特，深度为256，这是因为数据块最大为512字节。数据接收状态时，首先检测数据起始位，检测到起始位后计数器开始工作。接收Size个字节的数据后，接收CRC16校验位，最后完成数据块接收，发出接收完成信号End。数据接收过程中，每接收16位数据给出写入信号Wr，将数据写入RxFIFO。如果RxFIFO满，给出Busy信号，主机进入数据发送等待。数据发送状态时，接收控制器收到Start信号后，开始发出Rd信号读取TrFIFO数据，并将数据传给移位寄存器，使能数据输出控制信号Out＿en，移位寄存器根据数据传输模式将数据输出。


图5 数据收发模块

4.3 状态控制模块
根据接收模块传送的命令编号产生与之对应的命令响应类型，进一步解析接收模块传送的命令参数。工作过程共有9个状态，状态间的转移关系如图6所示。接收到CMD0命令后都会从其它状态进入到空闲状态。


图6 状态转移

4.4 校验模块
CRC7负责校验命令收发模块中的命令和响应；CRC16负责校验数据收发模块中的数据。


       
5 验证与测试
开发测试平台使用的是Altera的CycloneII系列FPGA开发板。开发板上有一个SD接口。测试平台的实物如图7所示。开发板可以通过一个PCB板SD接口与电脑SD接口连接，利用电脑对设计进行验证。


图7 测试平台

在硬件调试过程中，采用内嵌式逻辑分析仪（SignalTapII）来采集相应的数据波形。图8是采集到的识别SD卡命令与响应波形图。从图中可以看出，该设计可以正确响应主机命令，完成识别过程。
图9中虚线所圈是将设计下载到FPGA开发板，与电脑相连接后被识别为SD存储卡标记，可以看出该设计可以被电脑正确识别。
6 结束语
本文实现了一种SD存储卡接口SD模式IP核的设计与实现。该设计能够对主机命令进行自动解析和回复，与Flash控制器连接后可以直接对Flash进行读写操作。对该设计进行FPGA功能验证，能够被电脑识别为SD接口，从而说明的设计的正确性和实用性。利用SYNOPSYS公司的EDA工具对该模块进行综合，并进行时序和面积的优化，在SMIC0。18μm工艺下最大工作频率为100MHz，整个设计综合后为0.6万门。


图8 通信过程


图9 电脑识别