【紫光同创国产FPGA教程】【第八章】SD卡读写实验

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适用于板卡型号：

PGL22G/PGL12G

1. 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：

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。

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，R2，R3。

2.2 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

2.4 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
  

3. 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：

3.1 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
clk	in	时钟输入
rst	in	异步复位输入，高复位
sd_init_done	out	sd卡初始化完成
sd_sec_read	in	sd卡扇区读请求
sd_sec_read_addr	in	sd卡扇区读地址
sd_sec_read_data	out	sd卡扇区读出的数据
sd_sec_read_data_valid	out	sd卡扇区读出的数据有效
sd_sec_read_end	out	sd卡扇区读完成
sd_sec_write	in	sd卡扇区写请求
sd_sec_write_addr	in	sd卡扇区写请求应答
sd_sec_write_data	in	sd卡扇区写请求数据
sd_sec_write_data_req	out	sd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_end	out	sd卡扇区写请求完成
spi_clk_div	in	SPI时钟分频，SPI时钟频率=系统时钟/（( spi_clk_div + 2）*2）
cmd_req	in	sd卡命令请求
cmd_req_ack	out	sd卡命令请求应答
cmd_req_error	out	sd卡命令请求错误
cmd	in	sd卡命令，命令+参数+CRC，一共48bit
cmd_r1	in	sd卡命令期待的R1响应
cmd_data_len	in	sd卡命令后读取的数据长度，大部分命令没有读取数据
block_read_req	in	块数据读取请求
block_read_valid	out	块数据读取数据有效
block_read_data	out	块数据读取数据
block_read_req_ack	out	块数据读取请求应答
block_write_req	in	块数据写请求
block_write_data	in	块数据写数据
block_write_data_rd	out	块数据写数据请求，提前block_write_data一个时钟周期
block_write_req_ack	out	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。

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。

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_cmd

sd_card_cmd模块端口的说明如下：

信号名称	方向	说明
sys_clk	in	时钟输入
rst	in	异步复位输入，高复位
spi_clk_div	in	SPI时钟分频，SPI时钟频率=系统时钟/（( spi_clk_div + 2）*2）
cmd_req	in	sd卡命令请求
cmd_req_ack	out	sd卡命令请求应答
cmd_req_error	out	sd卡命令请求错误
cmd	in	sd卡命令，命令+参数+CRC，一共48bit
cmd_r1	in	sd卡命令期待的R1响应
cmd_data_len	in	sd卡命令后读取的数据长度，大部分命令没有读取数据
block_read_req	in	块数据读取请求
block_read_valid	out	块数据读取数据有效
block_read_data	out	块数据读取数据
block_read_req_ack	out	块数据读取请求应答
block_write_req	in	块数据写请求
block_write_data	in	块数据写数据
block_write_data_rd	out	块数据写数据请求，提前block_write_data一个时钟周期
block_write_req_ack	out	块数据写请求应答
nCS_ctrl	out	到SPI master控制器，cs片选控制
clk_div	out	到SPI Master控制器，时钟分频参数
spi_wr_req	out	到SPI Master控制器，写一个字节请求
spi_wr_ack	in	来自SPI Master控制器，写请求应答
spi_data_in	out	到SPI Master控制器，写数据
spi_data_out	in	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。

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。

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：

3.3 spi_master

spi_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。

开发板