【紫光同创国产FPGA教程】【第八章】SD卡读写实验
原创声明：本原创教程由芯驿电子科技（上海）有限公司（ALINX）创作，版权归本公司所有，如需转载，需授权并注明出处（http://www.alinx.com）。适用于板卡型号：PGL22G/PGL12G1. 实验简介SD卡是现在嵌入式设备重要的存储模块，内部集成了nand flash控制器，方便了主机的的管理。本实验主要是练习对sd卡的扇区进行读写，通常sd卡都有文件系统，可以按照文件名和目录路径来读写文件，但文件系统非常复杂，本实验不做讲解，在后续的实验中我们通过搜索特定的文件头来读特殊的文件，完成音频播放、图片读取显示等。2. 实验原理2.1 硬件描述开发板上装有一个Micro SD卡座，FPGA通过SPI数据总线访问Micro SD卡, SD卡座和FPGA的硬件电路连接如下：https://pic1.zhimg.com/80/v2-0ed83b3a8a1fa93b43d10df8e83b9354_720w.jpg开发板SD卡在SD卡数据读写速度要求不高的情况下，选用SPI通信模式可以说是一种最佳的解决方案。因为在SPI模式下，通过四条线就可以完成所有的数据交换。本实验将为大家介绍FPGA通过SPI总线读写SD卡。要完成SD卡的FPGA读写，用户需要理解SD卡的命令协议。2.1 SD卡协议简介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。如果在SPI模式的时候，CRC校验位为可选。如下图所示，Command表示命令，通常使用十进制表示名称，例如CMD17，这个时候Command就是十进制的17。SD卡具体的协议本实验不讲解，可自行找相关资料学习。https://pic1.zhimg.com/80/v2-5cd0a613307d86739722dc5d6c7be474_720w.jpgSD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，R2，R3。https://pic3.zhimg.com/80/v2-4b3dfce3cdefbfc0785287a5250d3162_720w.jpghttps://pic4.zhimg.com/80/v2-2930888a82b428d99d7856614dc9bb1b_720w.jpghttps://pic1.zhimg.com/80/v2-9d2048387f49c452a5bf5ce14602ce2c_720w.jpg2.2 SD卡2.0版的初始化步骤[*]上电后延时至少74clock，等待SD卡内部操作完成
[*]片选CS低电平选中SD卡
[*]发送CMD0，需要返回0x01，进入Idle状态
[*]为了区别SD卡是2.0还是1.0，或是MMC卡，这里根据协议向上兼容的，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，进一步循环发送命令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卡还是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。（通过CMD16可以改变SD卡一次性读写的长度）
6. CS拉高2.3 SD卡的读步骤
[*]发送CMD17（单块）或CMD18（多块）读命令，返回0X00
[*]接收数据开始令牌fe（或fc）+正式数据512Bytes + CRC校验2Bytes
默认正式传输的数据长度是512Bytes
https://pic2.zhimg.com/80/v2-e0cafc47fcc938268b66ce2796334711_720w.jpg2.4 SD卡的写步骤
[*]发送CMD24（单块）或CMD25（多块）写命令，返回0X00
[*]发送数据开始令牌fe（或fc）+正式数据512Bytes + CRC校验2Bytes
https://pic2.zhimg.com/80/v2-74132e1d8436dcc758235cfa18977771_720w.jpg3. 程序设计下面主要对sd_card_top及其子程序进行介绍和说明。sd_card_top包含3个子程序，分别为sd_card_sec_read_write.v，sd_card_cmd.v和spi_master.v文件。它们的逻辑关系如下图所示：https://pic1.zhimg.com/80/v2-75f9cc4ebef0327b39d6206dbf700630_720w.jpg3.1 sd_card_sec_read_write以下为sd_card_sec_read_write模块端口说明：
信号名称方向说明
clkin时钟输入
rstin异步复位输入，高复位
sd_init_doneoutsd卡初始化完成
sd_sec_readinsd卡扇区读请求
sd_sec_read_addrinsd卡扇区读地址
sd_sec_read_dataoutsd卡扇区读出的数据
sd_sec_read_data_validoutsd卡扇区读出的数据有效
sd_sec_read_endoutsd卡扇区读完成
sd_sec_writeinsd卡扇区写请求
sd_sec_write_addrinsd卡扇区写请求应答
sd_sec_write_datainsd卡扇区写请求数据
sd_sec_write_data_reqoutsd卡扇区写请求数据读取，提前sd_sec_write_data一个时钟周期
sd_sec_write_endoutsd卡扇区写请求完成
spi_clk_divinSPI时钟分频，SPI时钟频率=系统时钟/（( spi_clk_div + 2）*2）
cmd_reqinsd卡命令请求
cmd_req_ackoutsd卡命令请求应答
cmd_req_erroroutsd卡命令请求错误
cmdinsd卡命令，命令+参数+CRC，一共48bit
cmd_r1insd卡命令期待的R1响应
cmd_data_leninsd卡命令后读取的数据长度，大部分命令没有读取数据
block_read_reqin块数据读取请求
block_read_validout块数据读取数据有效
block_read_dataout块数据读取数据
block_read_req_ackout块数据读取请求应答
block_write_reqin块数据写请求
block_write_datain块数据写数据
block_write_data_rdout块数据写数据请求，提前block_write_data一个时钟周期
block_write_req_ackout块数据写请求应答
sd_card_sec_read_write模块有一个状态机，首先完成SD卡初始化，下图为模块的初始化状态机转换图，首先发送CMD0命令，然后发送CMD8命令，再发送CMD55，接着发送ACMD41和CMD16。如果应答正常，sd卡初始化完成，等待SD卡扇区的读写命令。https://pic1.zhimg.com/80/v2-8f119fe020aa0081f8ead046dad6b134_720w.jpg然后等待扇区读写指令，并完成扇区的读写操作，下图为模块的读写状态机转换图。https://pic3.zhimg.com/80/v2-7a002bb48867e1efdc9a55f1d5921342_720w.jpg在此模块中定义了两个参数，SD卡的初始化过程是需要先用慢时钟来发送命令和配置，等待初始化成功后再用快时钟来进行数据读写。
parameter SPI_LOW_SPEED_DIV = 248
parameter SPI_HIGH_SPEED_DIV = 0
3.2 sd_card_cmdsd_card_cmd模块端口的说明如下：
信号名称方向说明
sys_clkin时钟输入
rstin异步复位输入，高复位
spi_clk_divinSPI时钟分频，SPI时钟频率=系统时钟/（( spi_clk_div + 2）*2）
cmd_reqinsd卡命令请求
cmd_req_ackoutsd卡命令请求应答
cmd_req_erroroutsd卡命令请求错误
cmdinsd卡命令，命令+参数+CRC，一共48bit
cmd_r1insd卡命令期待的R1响应
cmd_data_leninsd卡命令后读取的数据长度，大部分命令没有读取数据
block_read_reqin块数据读取请求
block_read_validout块数据读取数据有效
block_read_dataout块数据读取数据
block_read_req_ackout块数据读取请求应答
block_write_reqin块数据写请求
block_write_datain块数据写数据
block_write_data_rdout块数据写数据请求，提前block_write_data一个时钟周期
block_write_req_ackout块数据写请求应答
nCS_ctrlout到SPI master控制器，cs片选控制
clk_divout到SPI Master控制器，时钟分频参数
spi_wr_reqout到SPI Master控制器，写一个字节请求
spi_wr_ackin来自SPI Master控制器，写请求应答
spi_data_inout到SPI Master控制器，写数据
spi_data_outin来自SPI Master控制器，读数据
sd_card_cmd模块主要实现sd卡基本命令操作，还有上电初始化的88个周期的时钟，数据块的命令和读写的状态机如下。https://pic1.zhimg.com/80/v2-ba33effb6d180523800b3238217d7730_720w.jpg从SD2.0的标准里我们可以看到，从主控设备写命令到SD卡, 最高两位47~46位必须为“01”，代表命令发送开始。https://pic1.zhimg.com/80/v2-f4895efb608b9096a831ece57b458500_720w.jpg所以代码中都是将48位命令的高八位与十六进制0x40做或操作得到的结果再写入，所以才有了如下一段代码：https://pic2.zhimg.com/80/v2-8c4ca8091f3e8c908cf208b38420dd1d_720w.jpg3.3 spi_masterspi_master模块主要完成SPI一个字节的读写，当SPI状态机在idle的时候，检测到wr_req的信号为高，会产生8个DCLK，并把datain的数据从高位依次输出到MOSI信号线上。MOSI在8个DCLK的输出数据为datain的值0x58。同时spi_master程序也会读取MISO输入的数据，转换成8位的data_out数据输出实现SPI的一个字节的数据读取。4. 实验现象下载实验程序后，可以看到LED显示一个二进制数字，这个数字是存储在sd卡中第一扇区的第一个数据，数据是随机的，这个时候按键KEY2按下，数字加一，并写入了sd卡，再次下载程序，可以看到直接显示更新后的数据。
https://pic2.zhimg.com/80/v2-280c8ce1c3e02dad9af8859a0b7a2c79_720w.jpg开发板
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