通信控制篇

2023-09-05 07:24| 来源: 网络整理| 查看: 265

通信控制篇——SD卡数据传输（一） 1.简介

利用FPGA实现SD卡数据传输——SPI模式。

2.原理 SD卡简介

SD卡——Secure Digital Memory Card。最早的SD卡是从MMC卡发展而来的，目前SD卡有三种规范——SD1.0、SD2.0和SD3.0，SD1.0已经不用了，目前主流的规范是SD2.0和SD3.0，SD2.0被称为高速卡，传输速度在2MB/s以上，SD3.0被称为超高速卡，传输速度可达104MB/s。

SD卡容量有3个级别——SD、SDHC和SDXC，下表为各等级的容量范围和标准磁盘格式：

容量等级容量范围磁盘格式SD不大于2GBFAT12，16SDHC2GB~32GBFAT32SDXC32GB~2TBexFAT

SD2.0规范中，规定了不同传输速率的等级，如下表：

速率等级性能要求Class 0无性能要求Class 2大于等于2MB/sClass 4大于等于4MB/sClass 6大于等于6MB/sClass 10大于等于10MB/s

在市面上买的SD卡，卡面上会印有“HC”字样，这代表这张卡是SDHC卡，同理，印有“XC”字样的代表是SDXC卡；而且，卡面上还印有一个圆圈圈起来的数字，这代表速率等级，如4就代表Class 4类型的卡。

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SD卡数据通信

SD卡一般支持两种通信模式，SPI模式和SD模式，这两种模式分别需要使用到的信号及其对应关系如下表：

SD模式信号名SPI模式信号名SD_CLKSD_CLKSD_CMDSD_DATAINSD_DATA0SD_DATAOUTSD_DATA1-SD_DATA2-SD_DATA3SD_CS

在SD卡数据读写时间要求不是很严格的情况下，选用SPI模式可以说是一种最佳的解决方案。因为在SPI模式下，使用相对简单，只要四条线就可以完成所有的数据交换。本文主要介绍SPI模式的数据通信。

SD2.0命令协议

SD卡的协议是一种简单的命令/响应的协议。全部命令由主机发起，SD卡接收到命令后并返回响应数据。根据命令的不同，返回的数据内容和长度也不同。

SD卡命令是一个6字节组成的命令包，其中第一个字节为命令号，命令号高位bit7和bit6为固定的“01“，其它6个bit为具体的命令号。第2个字节到第5个字节为命令参数。第6个字节为7个bit的CRC校验加1个bit的结束位“1”。如果在SPI模式的时候，CRC校验位为可选。

SD卡命令格式：

First ByteByte 2-5Last Byte‘0’+‘1’+CommandArgument (MSB First)CRC+‘1’

SD卡对每个命令会返回一个响应，每个命令有一定的响应格式。响应的格式跟给它的命令号有关。在SPI模式中，有三种响应格式：R1（1个字节），R2（2个字节），R3（5个字节）。（具体可参照SD2.0协议官方文档，本文不再赘述）

下面列举一些常用的SD命令及响应格式：

CommandArgumentTypeDescriptionCMD0NoneR1Tell the card to reset and enter its idle stateCMD1632-bit Block LengthR1Select the block lengthCMD1732-bit Block AddressR1Read a single blockCMD2432-bit Block AddressR1Write a single blockCMD55NoneR1Next command will be application-specific (ACMD××)CMD58NoneR3Read OCR (Operating Conditions Register)ACMD41NoneR1Initialize the card SD卡初始化选择SPI模式

SD卡上电后，默认为SD模式，只要在发送CMD0命令的同时使得CS置低，若SD卡返回响应无错误，则已经进入了SPI模式。一旦选择了SPI模式，只有当SD卡掉电重启后，才会退出SPI模式。

SPI模式初始化步骤发送CMD0，需要返回0x01，进入Idle状态（这一步同时需要令CS置低，选择SPI模式）；为了区别SD卡是2.0还是1.0，或是MMC卡，这里根据协议向下兼容的原则，首先发送只有SD2.0才有的命令CMD8，如果CMD8返回无错误，则初步判断为2.0卡，进一步发送命令循环发送CMD55+ACMD41，直到返回0x00，确定SD2.0卡；如果CMD8返回错误则判断为1.0卡或是MMC卡，循环发送CMD55+ACMD41，返回无错误，则为SD1.0卡，到此SD1.0卡初始成功，如果在一定的循环次数下，返回为错误，则进一步发送CMD1进行初始化，如果返回无错误，则确定为MMC卡，如果在一定的次数下，返回为错误，则不能识别该卡，初始化结束。CS拉高。初始化流程图

初始化流程图

流程图详细说明请参考SD2.0协议官方文档。

SD卡数据读取发送CMD17（单块）或CMD18（多块）读命令，返回0x00；接收数据开始令牌0xfe（或0xfc）+正式数据512Bytes + CRC校验2Bytes。默认正式传输的数据长度是512Bytes，可用CMD16设置块长度。

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SD卡数据写入发送CMD24（单块）或CMD25（多块）写命令，返回0x00；发送数据开始令牌0xfe（或0xfc）+正式数据512Bytes + CRC校验2Bytes。

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关于具体的SD2.0的时序和标准，请大家参考文档SD2.0_Final_bookmark.pdf

3.程序实现 SD卡初始化模块 library ieee; use ieee.std_logic_1164.all; entity sd_init is port ( sd_clk : in std_logic; --sd卡SPI时钟25MHz rst : in std_logic; --复位信号，低电平有效 sd_cs : out std_logic; --sd片选信号，低电平有效，在发送和接收数据时，CS都需要置0 sd_data_in : out std_logic; --sd卡数据输入 sd_data_out : in std_logic; --sd卡数据输出 rx : buffer std_logic_vector(47 downto 0); --接收sd卡输出数据（存储48位） init_o : out std_logic; --sd卡初始化完成信号，高电平有效 init_state : buffer std_logic_vector(3 downto 0) --sd初始化状态 ); end sd_init; architecture tt of sd_init is --常量定义 constant idle:std_logic_vector(3 downto 0):= "0000"; --状态为idle constant send_cmd0:std_logic_vector(3 downto 0):= "0001"; --状态为发送CMD0 constant wait_cmd0:std_logic_vector(3 downto 0):= "0010"; --状态为等待CMD0应答 constant wait_time:std_logic_vector(3 downto 0):= "0011"; --状态为等待一段时间 constant send_cmd8:std_logic_vector(3 downto 0):= "0100"; --状态为发送CMD8 constant wait_cmd8:std_logic_vector(3 downto 0):= "0101"; --状态为等待CMD8应答 constant send_cmd55:std_logic_vector(3 downto 0):= "0110"; --状态为发送CMD55 constant send_acmd41:std_logic_vector(3 downto 0):= "0111"; --状态为发送ACMD41 constant init_done:std_logic_vector(3 downto 0):= "1000"; --状态为初始化结束 constant init_fail:std_logic_vector(3 downto 0):= "1001"; --状态为初始化错误 --信号定义 signal CMD0:std_logic_vector(47 downto 0):= x"400000000095"; --CMD0命令, 需要CRC 95 signal CMD8:std_logic_vector(47 downto 0):= x"48000001aa87"; --CMD8命令, 需要CRC 87 signal CMD55:std_logic_vector(47 downto 0):= x"7700000000ff"; --CMD55命令, 不需要CRC signal ACMD41:std_logic_vector(47 downto 0):= x"6940000000ff"; --ACMD41命令, 不需要CRC signal reset:std_logic:= '1'; --复位信号，高电平时有效，进行延时片选sd卡复位；低电平时进行sd卡初始化 signal init_cnt:integer range 0 to 1023 := 0; --初始化计时计数器 signal delay_cnt:integer range 0 to 1023 := 0; --延时计数器 signal bit_cnt:integer range 0 to 47 := 0; --48位命令传输计数器 signal rx_valid:std_logic:= '0'; --接收数据有效信号（即接收48位命令完成） signal rx_start:std_logic:= '0'; --开始接收数据 begin --接收sd卡的数据 process(sd_clk) begin if(sd_clk'event and sd_clk = '1')then rx(0)

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