文章目錄

1、存儲芯片分類

2、NOR Flash 與NAND Flash的區(qū)別

3、什么是SD卡？

4、什么是SD NAND？

5、SD NAND的控制時序

6、FPGA實現(xiàn)SD NAND讀寫

6.1、設(shè)計思路

6.2、仿真結(jié)果

6.3、實驗結(jié)果

1、存儲芯片分類

目前市面上的存儲芯片，大致可以將其分為3大類：

① EEPROM

EEPROM (Electrically Erasable Programmable read only memory)是指帶電可擦可編程只讀存儲器，是一種掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲芯片。EEPROM 可以在電腦上或?qū)Ｓ迷O(shè)備上擦除已有信息，重新編程。

這類產(chǎn)品容量小，讀取速度慢，且無法在應(yīng)用過程中寫入數(shù)據(jù)，十分不便。目前多存在于一些MCU內(nèi)部，如遙控器，電風(fēng)扇等各類低端、低速消費(fèi)類產(chǎn)品。相信你讀大學(xué)如果玩單片機(jī)的話，那么應(yīng)該是不陌生。

② NOR Flash

NOR Flash由Intel在1988年發(fā)明，是市場上兩種主要的非易失閃存技術(shù)之一。NOR Flash 技術(shù)的出現(xiàn)，徹底改變了原先由EPROM和EEPROM一統(tǒng)天下的局面。

NOR Flash可能是目前應(yīng)用領(lǐng)域最廣泛的一種存儲芯片了，基本上主流的電子產(chǎn)品里都有使用，比如手機(jī)攝像頭內(nèi)部，或者屏幕驅(qū)動電路板。主要用來存儲代碼和一些比較小的數(shù)據(jù)文件。NOR Flash架構(gòu)決定了它的容量不能做大，而且讀取速度比較慢。好處在于簡單易用，其接口可以實現(xiàn)地址尋址，也就意味著可以做到直接對某個地址直接操作，而不需要建立額外的文件系統(tǒng)。

③ NAND Flash

雖然很多人平常說的Flash 存儲器一半默認(rèn)其就是NOR Flash ，但這無疑是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。FLASH產(chǎn)品可以分為兩個大類：NOR Flash 和 NAND Flash 。

NAND Flash 是市場上兩種主要的非易失閃存技術(shù)之一，由東芝公司在1989年發(fā)明。其強(qiáng)調(diào)降低每比特的成本，并擁有更高的性能，可以像磁盤一樣可以通過接口輕松升級。

NAND Flash應(yīng)該是目前最熱門的存儲芯片了。因為我們生活中經(jīng)常使用的電子產(chǎn)品都會涉及到它。比如你買手機(jī)，肯定會考慮64GB，還是256GB？買筆記本是買256GB，還是512GB容量的硬盤呢？（目前電腦大部分采用了基于NAND Flash產(chǎn)品的固態(tài)硬盤）

2、NOR Flash 與 NAND Flash的區(qū)別

Flash 閃存是非易失存儲器，可以對稱為塊的存儲器單元塊進(jìn)行擦寫和再編程。任何Flash 器件的寫入操作都只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行，所以大多數(shù)情況下，在進(jìn)行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。NAND器件執(zhí)行擦除操作是十分簡單的，而NOR則要求在進(jìn)行擦除前先要將目標(biāo)塊內(nèi)所有的位都寫為0。

執(zhí)行擦除時塊尺寸的不同進(jìn)一步拉大了NOR和NAND之間的性能差距，統(tǒng)計表明，對于給定的一套寫入操作(尤其是更新小文件時)，更多的擦除操作必須在基于NOR的單元中進(jìn)行。這樣，當(dāng)選擇存儲解決方案時，用戶必須權(quán)衡以下因素：

NOR Flash支持隨機(jī)訪問，所以支持XIP(execute In Place)，NAND Flash需要按塊進(jìn)行讀取，所以不支持XIP

NAND FLASH理論讀取速度與NOR Flash相近，實際情況會根據(jù)接口不同有些差異

NOR 與 NAND 寫入前都需要先擦除，NOR在擦除時以64～128KB的塊進(jìn)行，執(zhí)行一個寫入/擦除操作的時間約5s，NAND在擦除時以8～32KB的塊進(jìn)行，執(zhí)行一個寫入/擦除操作的時間約4ms

NAND 理論最大擦除次數(shù)比NOR多

NOR 驅(qū)動比NAND簡單，NAND FLASH需要通過專門的NFI（NAND FLASH Interface）與Host端進(jìn)行通信，驅(qū)動相對復(fù)雜

所有Flash 都會有位反轉(zhuǎn)的問題，NAND 位反轉(zhuǎn)概率要比NOR高，NAND Flash 必須要使用ECC

NAND的單元尺寸幾乎是NOR器件的一半，所以NAND成本更低

NOR 與 NAND 各有特點(diǎn)，應(yīng)用場景與應(yīng)用難度也不同，一般來講，NOR適用于小容量、略低速且需要直接對地址塊進(jìn)行操作的應(yīng)用，而NADN則適用于大容量的高速應(yīng)用。SD NAND 在保留了NAND架構(gòu)優(yōu)質(zhì)特性的同時改進(jìn)了不足之處，內(nèi)置的控制器能自行管理NAND Flash，無需在外部處理ECC和進(jìn)行壞塊管理，免去了MTD層，不需要寫繁瑣的驅(qū)動代碼。

3、什么是SD卡？

①概述

SD卡的英文全稱是Secure Digital Card，即安全數(shù)字卡（又叫安全數(shù)碼卡），是在MMC 卡（Multimedia Card，多媒體卡）的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，主要增加了兩個特色：更高的安全性和更快的讀寫速度。

②容量標(biāo)準(zhǔn)和速度等級

若按照容量 對 SD 卡進(jìn)行等級劃分，SD 卡可分為 4 個等級，SD（Secure Digital Card，安全數(shù)字卡） 卡、SDHC 卡（Secure Digital High Capacity，高容量安全數(shù)字卡）、SDXC 卡（ SD eXtended Capacity，容量擴(kuò)大化的安全數(shù)字卡）和 SDUC（Secure Digital Ultra Capacity，超 容量安全數(shù)字卡）?，F(xiàn)今，市場的主流 SD 產(chǎn)品是 SDHC 和 SDXC 這兩種較大容量的存儲 卡，SD 卡因容量過小，已逐漸被市場淘汰，SDUC 則是容量太大，預(yù)計會出現(xiàn)在未來市 場。SD 卡的四種容量標(biāo)準(zhǔn)，具體見下圖：

不同品牌和廠商生產(chǎn)的 SD 卡在對存取速度上的定義標(biāo)準(zhǔn)不同，這會使用戶在選擇 SD卡時產(chǎn)生困擾。所以 SD 協(xié)會根據(jù)視頻勻速寫入到 SD 卡的最低持續(xù)速度來劃分不同等級， 每個等級的速率是以每秒傳輸多少 MB 來衡量的，單位為 MB/S。

SD 協(xié)會定義了三種速度等級：速度等級、UHS 速度等級與視頻速度等級。三種速度等級的具體傳輸速度如下圖：

4、什么是SD NAND？

上文中提到的SD卡其實更應(yīng)該叫做TF卡，在日常生活中最常見的應(yīng)用就是數(shù)碼相機(jī)的存儲卡。因為它是可拆卸的，所以這類SD卡最大的優(yōu)點(diǎn)就是便攜方便，但同時也有容易丟失和接觸不良等毛病，所以多用于消費(fèi)類產(chǎn)品。

在工業(yè)級應(yīng)用中，更多見的是一類貼片式的SD NAND產(chǎn)品，俗稱貼片式T卡或貼片式SD卡。雖然SD NAND 和TF卡稱呼上有些類似，但是SD NAND和TF卡有著本質(zhì)上的區(qū)別：

為什么SD NAND和 TF卡 之間有這么大區(qū)別呢？因為 SD NAND是為內(nèi)置存儲而生，是焊接在PCB板上的，是針對工業(yè)級應(yīng)用的產(chǎn)品，所以品質(zhì)穩(wěn)定、一致性高、使用穩(wěn)定性高、同時尺寸也小。而TF卡主要是針對普通消費(fèi)者，品質(zhì)和一致性、使用穩(wěn)定性等相對要求不高，再加上國內(nèi)魚龍混雜的市場環(huán)境，導(dǎo)致內(nèi)置存儲用TF卡的品質(zhì)風(fēng)險高。

NAND Flash產(chǎn)品的一個特質(zhì)就是它的品質(zhì)并不是0和1這么簡單，有些品質(zhì)隱患是使用一段時間之后才被發(fā)現(xiàn)，如果這個產(chǎn)品已經(jīng)銷往海外，處理起來會變得異常麻煩。使用SD NAND可以為客戶產(chǎn)品帶來整體品質(zhì)的提升，提供確定性，是客戶產(chǎn)品良好品牌和口碑的穩(wěn)定基石。而使用TF卡時，產(chǎn)品整機(jī)不可控因素會增高，比如常見的卡座老化松動、TF觸點(diǎn)氧化、TF卡遺失、抗震性能減退等等。綜上所述，雖然SD NAND與TF卡使用的協(xié)議相同，但從外觀到內(nèi)在都有區(qū)別。正在使用TF卡的客戶需要提升產(chǎn)品穩(wěn)定性及耐用性時，SD NAND 是絕佳選擇。

盡管 SD NAND和 TF卡之間有著這么大的區(qū)別，但具體到實際應(yīng)用，其對外接口和驅(qū)動程序都是一樣了，這說明可移植性非常好。

① 物理結(jié)構(gòu)

SD NAND從物理結(jié)構(gòu)看包括 5 個部分，分別為存儲單元、存儲單元接口、電源檢測、卡及接口控制器和對外接口，具體見下圖。

存儲單元是存儲數(shù)據(jù)部件，存儲單元通過存儲單元接口與卡控制單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸

存儲單元接口是接口控制器與存儲單元的數(shù)據(jù)交互通道

電源檢測單元保證 SD NAND工作在合適的電壓下，如出現(xiàn)掉電或上電狀態(tài)時，它會使控制單元和存儲單元接口復(fù)位

卡及接口控制單元控制 SDNAND的運(yùn)行狀態(tài)，它包括 8 個寄存器

對外接口單元控制 SD NAND引腳的輸入輸出，一般包含SDIO接口和SPI接口

② 對外接口

SD NAND共有 9 個引腳，其中包括 3 根電源線、1 根時鐘線、1 根命令線和 4根數(shù)據(jù)線。如下：

CLK：同步時鐘線，由主機(jī)產(chǎn)生，即由主控制器（FPGA）輸出； 使用 SPI 模式 時，該引腳與 SPI 總線的 SCK 時鐘信號相連

CMD：命令控制線， SDIO 主機(jī)通過該線發(fā)送命令控制 SD NAND，如果命令要求 SD NAND 提供應(yīng)答(響應(yīng))， SD NAND也是通過該線傳輸應(yīng)答信息； 使用 SPI 模式時，該引腳與 SPI總線的 MOSI 信號相連， SPI 主機(jī)通過它向 SD NAND發(fā)送命令及數(shù)據(jù)，但因為 SPI 總線 的 MOSI 僅用于主機(jī)向從機(jī)輸出信號，所以 SD NAND返回應(yīng)答信息時不使用該信號線；

DAT0-3：在 SDIO 模式下，它們均為數(shù)據(jù)線，傳輸讀寫數(shù)據(jù)， SD NAND可將 D0 拉低表 示忙狀態(tài)； 在 SPI 模式下， DAT0 與 SPI 總線的 MISO 信號相連， SD NAND通過該信號線向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)或響應(yīng)， DAT3 與總線的 CS 信號相連， SPI 主機(jī)通過該信號線選擇要通訊的 SD NAND。

VDD、VSS1、VSS2：電源和地信號。

③ 工作模式

SD NAND有兩種工作模式：SDIO 模式與SPI模式

在 SDIO 模式下，SD NAND共使用到 CLK、CMD、DAT[3:0] 6根信號線；SDIO 總線與多個 SD NAND連接時，可以共用 CLK 時鐘信號線，對于 CMD、DAT[3:0]信號線，每個 SD NAND都要獨(dú)立連接。SDIO 總線與 SD 卡連接方式，具體見下圖。此模式使用IO引腳多，但傳輸速度高。

在 SPI 模式下，SD NAND共使用到 CS(DAT[3])、CLK、MISO(DAT[0])、MOSI(CMD) 4根信號線；SPI 總線與多個 SD NAND連接時，除 CS 片選信號線不可共用外，其他信號均可公用。SPI 總線與 SD NAND連方式，具體見下圖。此模式使用IO引腳少，但傳輸速度慢。

④ 內(nèi)部寄存器

SD NAND總共有 8 個寄存器，用于設(shè)定或表示 SD NAND信息，寄存器描述具體見下圖。 這些寄存器只能通過對應(yīng)的命令訪問，對 SD NAND的控制操作是通過命令來執(zhí)行的， SD NAND定義了 64 個命令（部分命令不支持 SPI 模式） ，每個命令都有特殊意義，可以實現(xiàn)某一特定功能， SD NAND接收到命令后，根據(jù)命令要求對 SD NAND內(nèi)部寄存器進(jìn)行修改，程序控制中只需要發(fā)送組合命令就可以實現(xiàn) SD NAND的控制以及讀寫操作。

內(nèi)部寄存器就不展開講了，我們用FPGA實現(xiàn)讀寫測試也不需要了解那么多寄存器。

5、SD NAND的控制時序

① 命令與讀寫時序

SD NAND的通信是基于命令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。通訊由一個起始位(“0”)開始，由一個停止位(“1”)終止。SD NAND通信一般是主機(jī)發(fā)送一個命令(Command)，從設(shè)備在接收到命令后作出響應(yīng)(Response)，如有需要會有數(shù)據(jù)(Data)傳輸參與。SD NAND的基本交互是命令與響應(yīng)交互， 見下圖：

SD NAND數(shù)據(jù)是以塊(Block)形式傳輸?shù)?，SDHC 規(guī)格數(shù)據(jù)塊長度一般為 512 字節(jié)，數(shù)據(jù)可以從主機(jī)到芯片，也可以是從芯片到主機(jī)。數(shù)據(jù)塊需要 CRC 位來保證數(shù)據(jù)傳輸成功，CRC 位由 SD NAND系統(tǒng)硬件生成。單個數(shù)據(jù)塊的讀、寫時序分別見下2圖：

讀寫操作都是由主機(jī)發(fā)起的，主機(jī)發(fā)送不同的命令表示讀或?qū)懀?SD NAND接收到命令后先針對命令返回響應(yīng)。在讀操作中， SD NAND返回一個數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊中包含 CRC校驗碼；在寫操作中，主機(jī)接收到命令響應(yīng)后需要先發(fā)送一個標(biāo)志（TOKEN）然后緊跟一個要寫入的數(shù)據(jù)塊，SD NAND接收完數(shù)據(jù)塊后會返回一個數(shù)據(jù)響應(yīng)及忙碌標(biāo)志，當(dāng) SD NAND把接收到的數(shù)據(jù)寫入到內(nèi)部存儲單元完成后，會停止發(fā)送忙碌標(biāo)志，主機(jī)確認(rèn) SD NAND空閑后，才可以發(fā)送下一個命令。

SD NAND數(shù)據(jù)傳輸支持單塊和多塊讀寫，它們分別對應(yīng)不同的操作命令， 結(jié)束多塊讀寫時需要使用命令來停止操作。

② 命令格式

SD NAND命令由主機(jī)發(fā)出，命令格式固定為 48bit，通過 CMD 信號線連續(xù)傳輸。SD NAND命令格式，具體見下圖：

起始位和終止位：命令的主體包含在起始位與終止位之間，它們都只包含一個數(shù)據(jù)位，起始位為 0，終止位為 1。

傳輸標(biāo)志：用于區(qū)分傳輸方向，該位為 1 時表示命令，方向為主機(jī)傳輸?shù)?SD NAND，該位為 0 時表示響應(yīng)，方向為 SD NAND傳輸?shù)街鳈C(jī)。命令主體內(nèi)容包括命令、地址信息/參數(shù)和 CRC 校驗三個部分。

命令號：它固定占用 6bit，所以總共有 64 個命令，每個命令都有特定的用途，部分命令不適用于 SPI 總線，或不適用于 SD NAND操作，只是專門用于 MMC 卡或者 SD I/O卡。

地址/參數(shù)：每個命令有 32bit 地址信息/參數(shù)用于命令附加內(nèi)容，例如，廣播命令沒有地址信息，這 32bit 用于指定參數(shù)，而尋址命令這 32bit 用于指定目標(biāo) SD NAND的地址， 當(dāng)使用 SDIO 驅(qū)動多個 SD NAND時，通過地址信息區(qū)分控制不同的SD NAND，使用 SPI 總線驅(qū)動時，通過片選引腳來選擇不同的SD NAND，所以使用這些命令時地址可填充任意值。

CRC7 校驗：長度為 7bit 的校驗位用于驗證命令傳輸內(nèi)容正確性，如果發(fā)生外部干擾 導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)個別位狀態(tài)改變將導(dǎo)致校準(zhǔn)失敗，也意味著命令傳輸失敗， SD NAND不執(zhí)行命令。 使用 SDIO 驅(qū)動時，命令中必須包含正確的 CRC7 校驗值；而使用 SPI 驅(qū)動時，命令中的 CRC7 校驗?zāi)J(rèn)是關(guān)閉的，即這 CRC7 校驗位中可以寫入任意值而不影響通訊，僅在發(fā)送 CMD0 命令時需要強(qiáng)制帶標(biāo)準(zhǔn)的 CRC7 校驗。

③ 命令內(nèi)容

SD NAND命令可分為標(biāo)準(zhǔn)命令 (如 CMD0)和特殊應(yīng)用命令 (如 ACMD41)，其中特殊應(yīng)用命令只有在先寫入 CMD55 命令后才能被識別。按照指令類型又可將 SD NAND命令分為基本命令、數(shù)據(jù)塊寫命令、數(shù)據(jù)塊讀命令、擦除命令等 12 種(class0 ~ class11)。

本次實驗將會使用 SPI 模式實現(xiàn) SD NAND的數(shù)據(jù)讀寫操作，所以接下來只列舉 SPI 模式下常用的 SD 卡命令，具體見下表：

SPI 模式下，上述各命令中，命令 CMD0 的 CRC7 校驗為固定的 1001_010；命令CMD8 的 CRC7 校驗為固定的 1000_011；其他命令的 CRC7 校驗在 SPI 模式下無作用，賦值為 1111_111 即可。

④ 響應(yīng)格式

當(dāng) SD NAND接收到命令時，會向 SD NAND回傳命令響應(yīng)。SD NAND有 5 種類型的命令響應(yīng)：R1、R1b、R2、R3、R7；SDIO NAND還支持另外兩種命令響應(yīng)：R4、R5。下文只對部分響應(yīng)做介紹。

R1 響應(yīng)格式，具體見下圖：

in idle state：當(dāng)該位為 1 時，表示 SD NAND處于空閑狀態(tài)

erase reset：因為接收到無需擦除操作的命令，擦除操作被復(fù)位

illegal command：接收到一個無效的命令代碼

com crc error：接收到的上一個命令的 CRC 校驗錯誤

erase sequence error：擦除命令的控制順序錯誤

address error：讀寫的數(shù)據(jù)地址不對齊（數(shù)據(jù)地址需要按塊大小對齊）

parameter error：命令的參數(shù)錯誤

R3 響應(yīng)格式，具體見下圖：

R3 響應(yīng)包括 5 個字節(jié)，首先返回的第 1 個字節(jié)內(nèi)容為 R1，剩下的其余字節(jié)為 OCR（ Operation Conditions Register， 操作條件寄存器）寄存器的內(nèi)容。

R7 響應(yīng)格式，具體見下圖：

R7 響應(yīng)包括 5 個字節(jié)，首先返回的第 1 個字節(jié)內(nèi)容為 R1，R7 [31:28]位為命令版本，R7[27:12]為保留位，R7[11:8]為反饋的電壓范圍，最后 1 個字節(jié)為檢查模式。

6、FPGA實現(xiàn)SD NAND讀寫

接下來編寫FPGA的Verilog代碼實現(xiàn)向SD NAND的指定扇區(qū)中寫入512個字節(jié)的數(shù)據(jù)，寫完后將數(shù)據(jù)讀出，并通過指示燈的方式驗證數(shù)據(jù)是否被正確讀寫。需要說明的是，后文的讀寫操作均采用SPI模式。

6.1、設(shè)計思路

① 上電時序

SD NAND同其他的許多芯片一樣上電后需要保持一定的時間以便維持電壓穩(wěn)定，這個時間通常是74+個時鐘周期，一般實際應(yīng)用中可設(shè)置參數(shù)為74~100。只有經(jīng)過這個過渡時間后，才可以執(zhí)行后續(xù)的SD NAND初始化操作。

② 初始化時序

SD NAND在正常讀寫操作之前，必須先對SD NAND進(jìn)行初始化，使其工作在預(yù)期的工作模式。初始化流程如下：

1.SD NAND完成上電后，主機(jī)FPGA先對從機(jī)SD NAND發(fā)送至少74個以上的同步時鐘，在上電同步期間，片選CS引腳和MOSI引腳必須為高電平（MOSI引腳除發(fā)送命令或數(shù)據(jù)外，其余時刻都為高電平）；

2.拉低片選CS引腳，發(fā)送命令CMD0（0x40）復(fù)位SD NAND，命令發(fā)送完成后等待SD NAND返回響應(yīng)數(shù)據(jù)；

3.SD NAND返回響應(yīng)數(shù)據(jù)后，先等待8個時鐘周期再拉高片選CS信號，此時判斷返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)。如果返回的數(shù)據(jù)為復(fù)位完成信號0x01，在接收返回信息期間片選CS為低電平， 此時SD NAND進(jìn)入SPI模式，并開始進(jìn)行下一步，如果返回的值為其它值，則重新執(zhí)行第2步；

4.拉低片選CS引腳，發(fā)送命令CMD8（0x48）查詢SD NAND的版本號，只有SD2.0版本才支持此命令，命令發(fā)送完成后等待SD NAND返回響應(yīng)數(shù)據(jù)；

5.SD NAND返回響應(yīng)數(shù)據(jù)后，先等待8個時鐘周期再拉高片選CS信號，此時判斷返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)。如果返回的電壓范圍為4’b0001即2.7V~3.6V，說明2.0版本，進(jìn)行下一步，否則重新執(zhí)行第4步；

6.拉低片選CS引腳，發(fā)送命令CMD55（0x77）告訴SD NAND下一次發(fā)送的命令是應(yīng)用相關(guān)命令，命令發(fā)送完成后等待SD NAND返回響應(yīng)數(shù)據(jù)；

7.SD NAND返回響應(yīng)數(shù)據(jù)后，先等待8個時鐘周期再拉高片選CS信號，此時判斷返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)。如果返回的數(shù)據(jù)為空閑信號0x01，開始進(jìn)行下一步，否則重新執(zhí)行第6步。

8.拉低片選CS引腳，發(fā)送命令A(yù)CMD41（0x69）查詢SD NAND是否初始化完成，命令發(fā)送完成后等待SD NAND返回響應(yīng)數(shù)據(jù)；

9.SD NAND返回響應(yīng)數(shù)據(jù)后，先等待8個時鐘周期再拉高片選CS信號，此時判斷返回的響應(yīng)數(shù)據(jù)。如果返回的數(shù)據(jù)為0x00，此時初始化完成，否則重新執(zhí)行第6步。

③ 寫操作時序

至此，SD NAND完成了復(fù)位以及初始化操作，進(jìn)入到SPI模式的讀寫操作。SD NAND讀寫一次的數(shù)據(jù)量必須為512字節(jié)的整數(shù)倍，即對SD NAND讀寫操作的最少數(shù)據(jù)量為512 個字節(jié)。我們可以通過命令CMD16來配置單次讀寫操作的數(shù)據(jù)長度，以使每次讀寫的數(shù)據(jù)量為 （n*512）個字節(jié)（n≥1），本次SD NAND的讀寫操作使用默認(rèn)配置，即單次讀寫操作的數(shù)據(jù)量為512個字節(jié)。

SD NAND的寫操作時序圖如下圖所示：

拉低片選信號 CS_N，向 SD NAND寫入命令 CMD24，命令號為 0x58，攜帶參數(shù)為 4字節(jié)的 SD NAND寫扇區(qū)地址，CRC 校驗字節(jié)未使用直接寫入 0xFF，命令發(fā)送完成后 等待 SD NAND返回響應(yīng)數(shù)據(jù)

若 SD NAND返回正確響應(yīng)數(shù)據(jù) R1 為 0x00，等待 8 個時鐘周期，向 SD NAND寫入令牌0xFE，緊隨其后寫入 512 個字節(jié)的數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，再向 SD NAND寫入 2 個字節(jié)的 CRC 校驗字節(jié)。SPI 模式下不對數(shù)據(jù)進(jìn)行 CRC 校驗，直接寫入兩個字節(jié)的 0xFF

校驗數(shù)據(jù)發(fā)送完成后， SD NAND會有響應(yīng)數(shù)據(jù)返回，隨后 SD NAND將 Miso 信號拉低進(jìn)入寫忙狀態(tài)

MISO 信號再次拉高后 SD NAND退出寫忙狀態(tài)，等待 8 個時鐘周期后拉高片選信號，SD NAND數(shù)據(jù)寫操作完成，可以執(zhí)行其它操作

④ 讀操作時序

SD NAND的讀操作時序圖如下圖所示：

1.拉低片選信號 CS_N， 向 SD NAND寫入命令 CMD17，命令號為 0x51，攜帶參數(shù)為 4字節(jié)的 SD NAND讀扇區(qū)地址，CRC 校驗字節(jié)未使用直接寫入 0xFF，命令發(fā)送完成后 等待 SD NAND返回響應(yīng)數(shù)據(jù)

2.若 SD NAND返回正確響應(yīng)數(shù)據(jù) R1 為 0x00，以 SD NAND返回的數(shù)據(jù)頭 0xFE 為標(biāo)志，接收自 SD NAND讀出的 512 字節(jié)數(shù)據(jù)和 2 字節(jié)的 CRC 校驗字節(jié)

3.解析到數(shù)據(jù)頭 0xFE 后，接下來接收 SD NAND返回的 512 個字節(jié)的數(shù)據(jù)

4.數(shù)據(jù)解析完成后，接下來接收2個字節(jié)的 CRC 校驗值。 由于 SPI 模式下不對數(shù)據(jù)進(jìn)行 CRC 校驗，可直接忽略這兩個字節(jié)

5.CRC 校驗字節(jié)接收完畢，等待 8 個時鐘周期，拉高片選信號 CS_N，一次數(shù)據(jù)讀操作完成

⑤ 程序設(shè)計

通過前面介紹的SD NAND初始化、寫操作以及讀操作可知，SD NAND的這3個操作是相互獨(dú)立且不能同時進(jìn)行的，因此我們可以將SD NAND的初始化、寫操作以及讀操作分別劃分為3個獨(dú)立的模塊，最后將這三個模塊例化在SD NAND的控制器模塊中，便于在其它工程項目中使用。

下圖是系統(tǒng)框圖，PLL時鐘模塊（PLL）為各個模塊提供驅(qū)動時鐘，SD NAND測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生測試數(shù)據(jù)寫入SD NAND，寫完后從SD NAND中讀出數(shù)據(jù)，最終讀寫測試結(jié)果由LED顯示模塊通過控制LED燈的顯示狀態(tài)來指示。

頂層模塊：頂層模塊完成了對其它四個模塊的例化，SD NAND測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的開始寫入信號及數(shù)據(jù)連接至SD NAND控制器模塊，數(shù)據(jù)寫完后從SD NAND控制器中讀出數(shù)據(jù)， 并驗證數(shù)據(jù)的正確性，將驗證的結(jié)果連接至LED顯示模塊。

PLL時鐘模塊：PLL時鐘模塊通過調(diào)用鎖相環(huán)（PLL）IP核來實現(xiàn)，總共輸出2個時鐘，頻率都是50Mhz，但兩個時鐘相位相差180度。我們知道，SD卡的SPI通信模式為CPOL=1， CPHA=1；即SPI_CLK在空閑時為高電平，數(shù)據(jù)發(fā)送是在時鐘的第一個邊沿，也就是SPI_CLK由高 電平到低電平的跳變，所以數(shù)據(jù)采集是在上升沿，數(shù)據(jù)發(fā)送是在下降沿。為了在程序代碼中統(tǒng) 一使用上升沿，我們使用兩個相位相差180度的時鐘來對SD NAND進(jìn)行操作。

SD NAND測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊：SD NAND測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的開始寫入信號和數(shù)據(jù)寫入SD NAND控制器模塊中，數(shù)據(jù)寫完后從SD NAND控制器中讀出數(shù)據(jù)，并驗證數(shù)據(jù)的正確性，將驗證的結(jié)果發(fā)送給LED顯示模塊。

SD NAND控制器模塊：SD NAND控制器模塊例化了SD NAND初始化模塊、 SD NAND寫數(shù)據(jù)模塊和SD NAND讀數(shù)據(jù)模塊。SD NAND初始化模塊完成對SD NAND的上電初始化操作；SD NAND寫數(shù)據(jù)模塊完成對SD NAND的寫操作；SD NAND讀數(shù)據(jù)模塊完成對SD NAND的讀操作。 由于這三個模塊都操作了SD NAND的引腳信號，且這三個模塊在同一時間內(nèi)不會同時操作，所以此模塊實現(xiàn)了對其它三個模塊的例化以及選擇SD NAND的引腳連接至其中某一個模塊。

LED顯示模塊：LED顯示模塊將SD NAND測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊輸出的驗證結(jié)果值， 通過控制LED燈的顯示狀態(tài)來指示。

SD NAND控制器部分代碼如下：

module sd_ctrl_top(

input clk_ref , //時鐘信號

input clk_ref_180deg, //時鐘信號,與clk_ref相位相差180度

input rst_n , //復(fù)位信號,低電平有效

//SD卡接口

input sd_miso , //SD卡SPI串行輸入數(shù)據(jù)信號

output sd_clk , //SD卡SPI時鐘信號

output reg sd_cs , //SD卡SPI片選信號

output reg sd_mosi , //SD卡SPI串行輸出數(shù)據(jù)信號

//用戶寫SD卡接口

input wr_start_en , //開始寫SD卡數(shù)據(jù)信號

input [31:0] wr_sec_addr , //寫數(shù)據(jù)扇區(qū)地址

input [15:0] wr_data , //寫數(shù)據(jù)

output wr_busy , //寫數(shù)據(jù)忙信號

output wr_req , //寫數(shù)據(jù)請求信號

//用戶讀SD卡接口

input rd_start_en , //開始讀SD卡數(shù)據(jù)信號

input [31:0] rd_sec_addr , //讀數(shù)據(jù)扇區(qū)地址

output rd_busy , //讀數(shù)據(jù)忙信號

output rd_val_en , //讀數(shù)據(jù)有效信號

output [15:0] rd_val_data , //讀數(shù)據(jù)

output sd_init_done //SD卡初始化完成信號

);

//wire define

wire init_sd_clk ; //初始化SD卡時的低速時鐘

wire init_sd_cs ; //初始化模塊SD片選信號

wire init_sd_mosi ; //初始化模塊SD數(shù)據(jù)輸出信號

wire wr_sd_cs ; //寫數(shù)據(jù)模塊SD片選信號

wire wr_sd_mosi ; //寫數(shù)據(jù)模塊SD數(shù)據(jù)輸出信號

wire rd_sd_cs ; //讀數(shù)據(jù)模塊SD片選信號

wire rd_sd_mosi ; //讀數(shù)據(jù)模塊SD數(shù)據(jù)輸出信號

//*****************************************************

//** main code

//*****************************************************

//SD卡的SPI_CLK

assign sd_clk = (sd_init_done==1'b0) ? init_sd_clk : clk_ref_180deg;

//SD卡接口信號選擇

always @(*) begin

//SD卡初始化完成之前,端口信號和初始化模塊信號相連

if(sd_init_done == 1'b0) begin

sd_cs = init_sd_cs;

sd_mosi = init_sd_mosi;

end

else if(wr_busy) begin

sd_cs = wr_sd_cs;

sd_mosi = wr_sd_mosi;

end

else if(rd_busy) begin

sd_cs = rd_sd_cs;

sd_mosi = rd_sd_mosi;

end

else begin

sd_cs = 1'b1;

sd_mosi = 1'b1;

end

end

//SD卡初始化

sd_init u_sd_init(

.clk_ref (clk_ref),

.rst_n (rst_n),

.sd_miso (sd_miso),

.sd_clk (init_sd_clk),

.sd_cs (init_sd_cs),

.sd_mosi (init_sd_mosi),

.sd_init_done (sd_init_done)

);

//SD卡寫數(shù)據(jù)

sd_write u_sd_write(

.clk_ref (clk_ref),

.clk_ref_180deg (clk_ref_180deg),

.rst_n (rst_n),

.sd_miso (sd_miso),

.sd_cs (wr_sd_cs),

.sd_mosi (wr_sd_mosi),

//SD卡初始化完成之后響應(yīng)寫操作

.wr_start_en (wr_start_en & sd_init_done),

.wr_sec_addr (wr_sec_addr),

.wr_data (wr_data),

.wr_busy (wr_busy),

.wr_req (wr_req)

);

//SD卡讀數(shù)據(jù)

sd_read u_sd_read(

.clk_ref (clk_ref),

.clk_ref_180deg (clk_ref_180deg),

.rst_n (rst_n),

.sd_miso (sd_miso),

.sd_cs (rd_sd_cs),

.sd_mosi (rd_sd_mosi),

//SD卡初始化完成之后響應(yīng)讀操作

.rd_start_en (rd_start_en & sd_init_done),

.rd_sec_addr (rd_sec_addr),

.rd_busy (rd_busy),

.rd_val_en (rd_val_en),

.rd_val_data (rd_val_data)

);

endmodule

SD NAND控制器模塊輸出的sd_init_done（SD NAND初始化完成信號）連接至SD NAND測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊，只有在SD NAND初始化完成之后（sd_init_done為高電平），才能對SD NAND進(jìn)行讀寫測試。SD NAND控制器模塊將SD NAND的初始化以及讀寫操作封裝成方便用戶調(diào)用的接口，SD NAND測試數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊只需對SD NAND控制器模塊的用戶接口進(jìn)行操作即可完成對SD NAND的讀寫操作。

6.2、仿真結(jié)果

一般的測試中，我們都需要先進(jìn)行仿真來觀察時序等測試行為。此次實驗由于找不到好的SD NAND的Verilog模型，所以仿真測試略。

6.3、實驗結(jié)果

上文已經(jīng)說了常用的相機(jī)中的TF卡與工業(yè)級的SD NAND（貼片式T卡）的區(qū)別，所以本次實驗我選用的是深圳雷龍公司的一款SD NAND產(chǎn)品----CSNP32GCR01-AOW。

這是一家專業(yè)做存儲產(chǎn)品的公司，NAND Flash是其主要產(chǎn)品。 該公司專注NAND Flash設(shè)計研發(fā)13年，在這一塊可以說是相當(dāng)專業(yè)。如果你對NAND Flash仍有疑惑的問題，或者你想在你的設(shè)計中使用NAND Flash產(chǎn)品，都可以直接聯(lián)系：深圳市雷龍發(fā)展有限公司

實驗結(jié)果其實沒什么好看的，LED燈常量表明說明從SD NAND讀出的512個字節(jié)（256個16位數(shù)據(jù)） 與寫入的數(shù)據(jù)相同，SD NAND讀寫測試程序下載驗證成功。

PS：有個小細(xì)節(jié)可以說下，雷龍公司的SD NAND開發(fā)板還是蠻用心的，封裝都是標(biāo)準(zhǔn)的Micro SD的封裝，只要你的FPGA開發(fā)板上有SD卡座，就可以直接插上使用了，即插即用十分方便，有心了。

【本文轉(zhuǎn)載自CSDN，作者：孤獨(dú)的單刀】

親愛的卡友們，歡迎光臨雷龍官網(wǎng)，如果看完文章之后還是有疑惑或不懂的地方，請聯(lián)系我們，自己去理解或猜答案是件很累的事，請把最麻煩的事情交給我們來處理，術(shù)業(yè)有專攻，聞道有先后，深圳市雷龍發(fā)展專注存儲行業(yè)13年，專業(yè)提供小容量存儲解決方案。