FPGAベースのSDカード音楽プレーヤーのSDカード
目次
序文
この記事では、SPI インターフェイスを使用して、このプロジェクトでの SD カードの使用と構成を主に記録します。主にSDカードの紹介、SDカードの初期化、SDカードの読み込み操作について。
ヒント: 以下はこの記事のテキストです, すべて著者自身のオリジナルです. 記事を書くのは簡単ではありません. 再投稿する際には、この記事へのリンクを添付してください.
1.SDカードの紹介
SD カードの完全な英語名はSecure Digital Cardで、安全なデジタル カード(セキュア デジタル カードとも呼ばれます) で、セキュリティと高速な読み取りおよび書き込み速度が特徴です。SD カードと MMC カードの縦と横はどちらも 32mm x 24mm です.違いは、SD カードの厚さが 2.1mm であるのに対し、MMC カードの厚さは 1.4mm です.SD カードは MMC カードよりも少し厚く、より大きなカードに対応します.同時に、SD カードには MMC カードよりも多くの接触ピンがあり、側面に追加の書き込み保護スイッチがあります。SD カードと MMC カードは上位互換性を維持しています。つまり、MMC カードは新しい SD デバイスからアクセスできます。互換性はアプリケーション ソフトウェアに依存しますが、SD カードは MMC デバイスからアクセスできません。SD カードと MMC カードは、図 1 の左側の図のように、カードのラベルによって区別できます。
「MultiMediaCard」の字体がMMCカード、右側の「SD」の字体がSDカードです。
上の写真の右側のSDカードは、実際にはSDHCカードです.SDカードは、ストレージ容量の観点から、SDカード、SDHCカード（Secure Digital High Capacity、大容量セキュアデジタルカード）の3つのレベルに分けられます.およびSDXCカード（SD eXtended Capacity、容量を拡張したセキュアメモリーカード）。SD カードは MMC カードに基づいて開発され、FAT12/FAT16 ファイル システムを使用し、SD カードは SD1.0 プロトコル仕様を採用し、SD カードの最大ストレージ容量は 2GB であると規定されています; SDHC カードは大容量ストレージ SD カードです。、FAT32ファイルシステムを使用して、SDHCカードはSD2.0プロトコル仕様を採用しています.SDHCカードのストレージ容量は2GBから32GBまでの範囲であると規定されています.SDXCカードは新しく提案された規格であり、FATファイルとは異なります. SD カードおよび SDHC カードで使用されるシステム SDXC カードは、拡張 FAT ファイル システムである exFAT ファイル システムを使用します。SDXC カードは SD3.0 プロトコル仕様を採用しており、SDXC カードのストレージ容量は 32GB から 2TB (2048GB) の範囲であると規定されており、一般的にミドルからハイエンドの一眼レフ カメラや高解像度カメラで使用されています。
2.SDカードの特徴
◎容量：32MB/64MB/128MB/256MB/512MB/1GByte
◎仕様バージョン1.01対応
◎カード内誤り訂正
◎CPRM対応
◎オプションの2つの通信プロトコル：SDモードとSPIモード
◎可変クロック周波数 0～25MHz
◎通信電圧範囲：2.0～3.6V
動作電圧範囲：2.0～3.6V
◎低電圧消費：自動電源オフと自動ウェイクアップ、インテリジェントな電源管理
◎追加のプログラミング電圧は不要
◎カード活線挿抜保護
◎MMCカードとの上位互換
◎ランダムアクセスの高速シリアルインターフェース
---デュアルチャンネルフラッシュインターリーブアクセスをサポート
——高速書き込み技術：超高速フラッシュメモリアクセスと信頼性の高いデータストレージを実現する低コストソリューション
－－－最大読み書き速度：10Mbyte/s
◎最大10枚スタック可能(20MHz、Vcc=2.7～3.6V)
◎データ寿命：100,000回の書き込み/消去
◎CEおよびFCC認証
◎PIP包装技術
◎寸法：幅24mm×長さ32mm×厚さ1.44mm
3.SDカードのクラスレベル
メモリのクラスレベルは、主にメモリカードの最低書き込み速度を識別するために、古くから使用されてきた識別です。
クラスの後の数字は、メモリ カードの最小書き込み速度を表します。
クラス 2 2MB/秒
クラス4 4MB/秒
クラス6 6MB/秒
クラス10 10MB/秒
メモリ カードのクラス レベルのマークは、通常、内側に数字が入った閉じていない円です。
4. SD カードの動作モード
SD カードには合計 9 本のピン ラインがあり、SDIO モードまたはSPI モードで動作します。SDIO モードでは、6 つの信号線 CLK、CMD、および DAT[3:0] が共有されます; SPI モードでは、CS (SDIO_DAT[3])、CLK (SDIO_CLK) MISO (SDIO_DAT[0])、MOSI (SDIO_CMD) 4本の信号線。SD カード インターフェイスの定義と各ピンの機能説明を図 2 に示します。
SDカードについて言及したので、TFカードもここで言及する必要があります。MicroSD カードとも呼ばれる TF カードは、SanDisk が発明した非常に小さなフラッシュ メモリ カードで、主に携帯電話で使用されています。MicroSDカードはアダプタ（Adapter）を差し込むことでSDカードに変換でき、操作手順はSDカードと同じです。MicroSD カード インターフェイスの定義と各ピンの機能説明を図 3 に示します。
標準 SD カードのバージョン 2.0 では、動作クロック周波数は 50Mhz に達することができます.SDIO モードでは、4 ビットのデータ ビット幅が使用され、理論的には 200Mbps (50Mx4bit) の伝送速度に達することができます; SPI モードでは、1-理論的にはビットデータのビット幅を使用し、転送速度は50Mbpsに達します。そのため、SDIO モードでの SD カードの転送速度は速くなり、その動作タイミングはより複雑になります。SD カードを使用して音楽ファイルを読み取る場合、SPI モードでの転送速度はすでにニーズを満たすことができるため、このプロジェクトでは SD カードの SPI モードを使用して SD カードの読み取りと書き込みをテストします。
5. SD カードの SPI 動作モード
SDカードの読み取りおよび書き込み操作では、SDカードのSPIモードが使用されます。つまり、SPIプロトコルが読み取りおよび書き込み操作に使用されます。SPIもIICもチップ上でよく使われる通信プロトコルで、IICに比べてSPIは通信速度が速い反面、占有するピン数が多くなります. 次にSPIプロトコルと送信タイミングについて理解しましょう.
SPI (Serial Peripheral interface) は Motorola によって定義されたシリアル周辺デバイス インターフェイスです. 高速, 全二重, 同期通信バスです. 4 つの信号線しか必要としないため、ピンを節約し、PCB レイアウトを容易にします. この使いやすい機能により、FLASH や AD コンバータなどの SPI 通信プロトコルを統合するチップがますます増えています。
SPI の通信原理は比較的単純で、マスター/スレーブ方式で動作し、通常、マスター デバイス (ここでは FPGA を指します) と 1 つ以上のスレーブ デバイス (ここでは SD カードを指します) があります。SPI 通信には、SPI_CS、SPI_CLK、SPI_MOSI、SPI_MISO の 4 つのラインが必要です。このうち、SPI_CS、SPI_CLK、SPI_MOSI はマスターからスレーブへ出力され、SPI_MISO はスレーブからマスターへ出力されます。SPI_CS は、チップが選択されているかどうかを制御するために使用されます。つまり、チップ セレクト信号が有効な場合にのみ (SD カードではロー レベルが有効)、チップの動作は有効です。SPI_CLK は、によって生成される同期クロックです。同期用のホスト データ; SPI_MOSI および SPI_MISO は、ホストによって送受信されるデータ ピンです。
一般的に、SPI 通信には 4 つの異なるモードがあり、異なるスレーブ デバイスは工場出荷時にモードの 1 つとして設定されており、ユーザーがモードを変更することはできません。マスターとスレーブは同じモードで通信する必要があります。そうしないと、データが正しく受信されません。SPI の通信モードは、CPOL (クロック極性) と CPHA (クロック位相) によって決定され、次の 4 つの通信モードがあります。
モード 0: CPOL = 0、CPHA = 0;
モード 1: CPOL = 0、CPHA = 1;
モード 2: CPOL = 1、CPHA = 0;
モード 3: CPOL = 1、CPHA = 1。
異なるモードでのタイミング図を図 4 に示します。
SD カードの SPI モードの場合、使用される SPI 通信モードはモード 3、つまり CPOL = 1、CPHA = 1 です。このとき、データは立ち下がりエッジで変化し、立ち上がりエッジは安定したままでなければなりません。SD カード バージョン 2.0 プロトコルでは、SPI_CLK クロック周波数は 50Mhz に達することがあります。
6、SDカードコマンド分類
SD カードのコマンドは、標準コマンド(CMD0 など) とアプリケーション関連のコマンド(ACMD41 など)に分けられます。ACMDコマンドは特殊なコマンドであり、送信方法は標準コマンドと同じですが、アプリ関連コマンドを送信する前にCMD55コマンドを送信し、次のコマンドがアプリ関連コマンドであることをSDカードに伝える必要があります。 、標準コマンドではありません。
7. SD カードのコマンドフォーマット
SD カードのコマンド フォーマットは 6 バイトで構成され、データを送信するときに上位ビットが最初に来ます. SD カードの書き込みコマンド フォーマットを図 5 に示します。
Byte1: コマンドワードの最初のバイトはコマンド番号 (CMD0、CMD1 など) で、フォーマットは「0 1 xxxxxx」です。
コマンド番号の最上位ビットは常に 0 で、これはコマンド番号の開始ビットであり、2 番目の上位ビットは常に 1 であり、これはコマンド番号の送信ビットであり、下位 6 ビットは
特定のコマンド番号 (CMD55、8'd55 = 8'b0011_0111 など、コマンド番号は 0 1 1 1 0 1 1 1 = 0x77)。
Byte2~Byte5: コマンドパラメータ、一部のコマンドパラメータは予約ビットです。パラメータの内容が定義されていない場合、予約ビットを設定する必要があります
は 0 です。
Byte6: 最初の 7 ビットは CRC (Cyclic Redundancy Check) チェック ビットで、最後のビットはストップ ビット 0 です。SPI モードでの SD カードのデフォルト
CRC チェックを有効にするかどうかは、SDIO モードで CRC チェックを有効にします。つまり、SPI モードでは、CRC チェック ディジットを送信する必要がありますが、SD カードは CRC チェック ディジットを読み取るときに自動的に無視するため、すべてのチェック ディジットを 1 に設定できます。なお、SD カードの電源投入時はデフォルトで SDIO モードに設定されており、SD カードから CMD0 に返された応答コマンドを受信すると、チップセレクト CS をプルダウンして SPI モードに移行します。したがって、CMD0 コマンドを送信するとき、SD カードは SDIO モードであり、CRC チェックを有効にする必要があります。また、CMD8 の CRC チェックは常に有効であり、CRC チェックも有効にする必要があります。これら 2 つのコマンドを除いて、他のコマンドの CRC はチェックされない場合があります。
8. SDカード共通コマンド
SD カードの一般的に使用されるコマンドを図 6 に示します。
9. SDカードの返却データ型
コマンドを送信した後、SDカードは応答コマンド情報を返します.異なるCMDコマンドは異なるタイプの戻り値を持ちます.一般的に使用される戻り値はR1タイプ、R3タイプ、R7タイプです（R7タイプはCMD8コマンド専用です）。
SD カードのリターン タイプ R1 データ フォーマットを図 7 に示します。
上の図からわかるように、SD カードの戻り型R1 形式は合計 1 バイトを返し、最上位ビットは 0 に固定され、その他のビットは対応する値を表します。
ステータス フラグ、アクティブ ハイ。
SD カードのリターン タイプ R3 データ フォーマットを図 8 に示します。
上の図からわかるように、SD カードの戻り型R3 形式は合計 5 バイトを返し、最初に返されるバイトは以前に紹介したものです。
R1 の内容、残りのバイトは OCR (操作条件レジスタ、操作条件レジスタ) レジスタの内容
許可する。
SD カードのリターン タイプ R7 データ フォーマットを図 9 に示します。
上の図からわかるように、SD カードの戻り型R7 形式は合計 5 バイトを返し、最初に返されるバイトは以前に紹介したものです。
R1 の内容、残りのバイトには SD カードの動作電圧情報とチェック バイトが含まれます。その中で、電圧範囲はより重要です
パラメータ、具体的な内容は次のとおりです。
Bit[11:8]: 動作電圧フィードバック
0: 未定義
1：2.7V～3.6V
2: 低電圧
4: 予約ビット
8: 予約ビット
その他：未定
10.SDカードの初期化
SD カードの通常の読み取りおよび書き込み操作の前に、SD カードを初期化して、予想される動作モードで動作させる必要があります。SD カードのバージョン 1.0 プロトコルとバージョン 2.0 プロトコルでは初期化処理に違いがあり、SD2.0 プロトコルの SD カードのみが CMD8 コマンドをサポートしているため、このコマンドに応答する SD カードは SD2 を持つカードと判断できます。 0 プロトコル、それ以外は SD1.0 バージョン プロトコルの SD カードまたは MMC カードです; CMD8 への応答がない場合は、CMD55 + ACMD41 コマンドを送信できます。0 を返す場合、SD1.0 プロトコル バージョン カードの初期化が成功したことを意味します。 , エラーを返せば MMC カードと判断 ; MMC カードであることを確認後、カードに CMD1 コマンドを送信し続ける. 0 を返せば MMC カードは正常に初期化され、それ以外の場合はエラーカードと判断。
市場に出回っているほとんどの SD カードは SD2.0 プロトコルを採用しており、詳細な初期化手順は次のとおりです。
1. SD カードの電源が投入された後、ホスト FPGA は最初にスレーブ SD カードに少なくとも 74 の同期クロックを送信します。電源投入時の同期期間中、チップ セレクト CS ピンと MOSI ピンはハイ レベルでなければなりません (MOSIコマンドまたはデータの送信を除き、残りの時間はハイレベルです);
2. チップ セレクト CS ピンをプルダウンし、コマンド CMD0 (0x40) を送信して SD カードをリセットし、コマンドの送信後に SD カードが戻るのを待ちます。
応答データ;
3. SDカードがレスポンスデータを返信後、8クロック待ってからチップセレクトCS信号をプルアップし、この時点で返信データを判定します。返送データがリセット完了信号 0x01 の場合、返送情報受信中はチップセレクト CS がローレベルであり、この時点で SD カードは SPI モードに入り次のステップを開始し、返送値がそれ以外の場合は再- 2 番目のステップのステップを実行します。
4. チップ セレクト CS ピンをプルダウンし、コマンド CMD8 (0x48) を送信して、SD カードのバージョン番号を問い合わせます. SD2.0 バージョンのカードのみがこのコマンドをサポートします. コマンドが送信された後、SD カードが応答データを返します。
5. SDカードがレスポンスデータを返信後、8クロック待ってからチップセレクトCS信号をプルアップし、この時点で返信データを判定します。返された電圧範囲が 4'b0001、つまり 2.7V ～ 3.6V の場合、SD カードのバージョンが 2.0 であることを意味し、次の手順に進みます。それ以外の場合は手順 4 に戻ります。
6. チップセレクト CS 端子をプルダウンし、コマンド CMD55 (0x77) を送信して、次に送信するコマンドがアプリケーション関連のコマンドであることを SD カードに伝え、コマンドの後に SD カードが応答データを返すのを待ちます。送信されます。
7. SDカードがレスポンスデータを返信後、8クロック待ってからチップセレクトCS信号をプルアップし、この時点で返信データを判定します。返されたデータがアイドル信号 0x01 の場合は次の手順に進み、そうでない場合は手順 6 を再実行します。
8. チップ セレクト CS ピンをプルダウンし、コマンド ACMD41 (0x69) を送信して SD カードの初期化が完了したかどうかを確認し、コマンド送信後に SD カードが応答データを返すのを待ちます。
9. SD カードがレスポンスデータを返した後、8 クロック待ってからチップセレクト CS 信号をプルアップし、この時点で返されたレスポンスデータを判定します。返されたデータが 0x00 の場合、この時点で初期化が完了します。それ以外の場合は、手順 6 を再実行します。
以下は Verilog 言語で書かれた SD カードの初期化コードです。
module sd_init(
input clk_ref , //时钟信号
input clk_ref_180deg, //时钟信号,与clk_ref相位相差180度
input rst_n , //复位信号,低电平有效
input sd_miso , //SD卡SPI串行输入数据信号
output sd_clk , //SD卡SPI时钟信号
output reg sd_cs , //SD卡SPI片选信号
output reg sd_mosi , //SD卡SPI串行输出数据信号
output reg sd_init_done //SD卡初始化完成信号
);
//parameter define
//SD卡软件复位命令,由于命令号及参数为固定值,CRC也为固定值,CRC = 8'h95
parameter CMD0 = {8'h40,8'h00,8'h00,8'h00,8'h00,8'h95};
//接口状态命令,发送主设备的电压范围,用于区分SD卡版本,只有2.0及以后的卡才支持CMD8命令
//MMC卡及V1.x的卡,不支持此命令,由于命令号及参数为固定值,CRC也为固定值,CRC = 8'h87
parameter CMD8 = {8'h48,8'h00,8'h00,8'h01,8'haa,8'h87};
//告诉SD卡接下来的命令是应用相关命令，而非标准命令, 不需要CRC
parameter CMD55 = {8'h77,8'h00,8'h00,8'h00,8'h00,8'hff};
//发送操作寄存器(OCR)内容, 不需要CRC
parameter ACMD41= {8'h69,8'h40,8'h00,8'h00,8'h00,8'hff};
//时钟分频系数,初始化SD卡时降低SD卡的时钟频率,50M/250K = 200
parameter DIV_FREQ = 200;
//上电至少等待74个同步时钟周期,在等待上电稳定期间,sd_cs = 1,sd_mosi = 1
parameter POWER_ON_NUM = 5000;
//发送软件复位命令时等待SD卡返回的最大时间,T = 100ms; 100_000us/4us = 25000
//当超时计数器等于此值时,认为SD卡响应超时,重新发送软件复位命令
parameter OVER_TIME_NUM = 25000;
parameter st_idle = 7'b000_0001; //默认状态,上电等待SD卡稳定
parameter st_send_cmd0 = 7'b000_0010; //发送软件复位命令
parameter st_wait_cmd0 = 7'b000_0100; //等待SD卡响应
parameter st_send_cmd8 = 7'b000_1000; //发送主设备的电压范围，检测SD卡是否满足
parameter st_send_cmd55 = 7'b001_0000; //告诉SD卡接下来的命令是应用相关命令
parameter st_send_acmd41 = 7'b010_0000; //发送操作寄存器(OCR)内容
parameter st_init_done = 7'b100_0000; //SD卡初始化完成
//reg define
reg [7:0] cur_state ;
reg [7:0] next_state ;
reg [7:0] div_cnt ; //分频计数器
reg div_clk ; //分频后的时钟
reg [12:0] poweron_cnt ; //上电等待稳定计数器
reg res_en ; //接收SD卡返回数据有效信号
reg [47:0] res_data ; //接收SD卡返回数据
reg res_flag ; //开始接收返回数据的标志
reg [5:0] res_bit_cnt ; //接收位数据计数器
reg [5:0] cmd_bit_cnt ; //发送指令位计数器
reg [15:0] over_time_cnt ; //超时计数器
reg over_time_en ; //超时使能信号
//wire define
wire div_clk_180deg ; //时钟相位和div_clk相差180度
assign sd_clk = ~div_clk; //SD_CLK
assign div_clk_180deg = ~div_clk; //相位和DIV_CLK相差180度的时钟
//时钟分频,div_clk = 250KHz
always @(posedge clk_ref or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
div_clk <= 1'b0;
div_cnt <= 8'd0;
end
else begin
if(div_cnt == DIV_FREQ/2-1'b1) begin
div_clk <= ~div_clk;
div_cnt <= 8'd0;
end
else
div_cnt <= div_cnt + 1'b1;
end
end
//上电等待稳定计数器
always @(posedge div_clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
poweron_cnt <= 13'd0;
else if(cur_state == st_idle) begin
if(poweron_cnt < POWER_ON_NUM)
poweron_cnt <= poweron_cnt + 1'b1;
end
else
poweron_cnt <= 13'd0;
end
//接收sd卡返回的响应数据
//在div_clk_180deg(sd_clk)的上升沿锁存数据
always @(posedge div_clk_180deg or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
res_en <= 1'b0;
res_data <= 48'd0;
res_flag <= 1'b0;
res_bit_cnt <= 6'd0;
end
else begin
//sd_miso = 0 开始接收响应数据
if(sd_miso == 1'b0 && res_flag == 1'b0) begin
res_flag <= 1'b1;
res_data <= {res_data[46:0],sd_miso};
res_bit_cnt <= res_bit_cnt + 6'd1;
res_en <= 1'b0;
end
else if(res_flag) begin
//R1返回1个字节,R3 R7返回5个字节
//在这里统一按照6个字节来接收,多出的1个字节为NOP(8个时钟周期的延时)
res_data <= {res_data[46:0],sd_miso};
res_bit_cnt <= res_bit_cnt + 6'd1;
if(res_bit_cnt == 6'd47) begin
res_flag <= 1'b0;
res_bit_cnt <= 6'd0;
res_en <= 1'b1;
end
end
else
res_en <= 1'b0;
end
end
always @(posedge div_clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n)
cur_state <= st_idle;
else
cur_state <= next_state;
end
always @(*) begin
next_state = st_idle;
case(cur_state)
st_idle : begin
//上电至少等待74个同步时钟周期
if(poweron_cnt == POWER_ON_NUM) //默认状态,上电等待SD卡稳定
next_state = st_send_cmd0;
else
next_state = st_idle;
end
st_send_cmd0 : begin //发送软件复位命令
if(cmd_bit_cnt == 6'd47)
next_state = st_wait_cmd0;
else
next_state = st_send_cmd0;
end
st_wait_cmd0 : begin //等待SD卡响应
if(res_en) begin //SD卡返回响应信号
if(res_data[47:40] == 8'h01) //SD卡返回复位成功
next_state = st_send_cmd8;
else
next_state = st_idle;
end
else if(over_time_en) //SD卡响应超时
next_state = st_idle;
else
next_state = st_wait_cmd0;
end
//发送主设备的电压范围,检测SD卡是否满足
st_send_cmd8 : begin
if(res_en) begin //SD卡返回响应信号
//返回SD卡的操作电压,[19:16] = 4'b0001(2.7V~3.6V)
if(res_data[19:16] == 4'b0001)
next_state = st_send_cmd55;
else
next_state = st_idle;
end
else
next_state = st_send_cmd8;
end
//告诉SD卡接下来的命令是应用相关命令
st_send_cmd55 : begin
if(res_en) begin //SD卡返回响应信号
if(res_data[47:40] == 8'h01) //SD卡返回空闲状态
next_state = st_send_acmd41;
else
next_state = st_send_cmd55;
end
else
next_state = st_send_cmd55;
end
st_send_acmd41 : begin //发送操作寄存器(OCR)内容
if(res_en) begin //SD卡返回响应信号
if(res_data[47:40] == 8'h00) //初始化完成信号
next_state = st_init_done;
else
next_state = st_send_cmd55; //初始化未完成,重新发起
end
else
next_state = st_send_acmd41;
end
st_init_done : next_state = st_init_done; //初始化完成
default : next_state = st_idle;
endcase
end
//SPI模式中SD卡在div_clk_180deg(sd_clk)的上升沿锁存数据,因此在sd_clk的下降沿输出数据
//为了统一在alway块中使用上升沿触发,此处使用和sd_clk相位相差180度的时钟
always @(posedge div_clk or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
sd_cs <= 1'b1;
sd_mosi <= 1'b1;
sd_init_done <= 1'b0;
cmd_bit_cnt <= 6'd0;
over_time_cnt <= 16'd0;
over_time_en <= 1'b0;
end
else begin
over_time_en <= 1'b0;
case(cur_state)
st_idle : begin //默认状态,上电等待SD卡稳定
sd_cs <= 1'b1; //在等待上电稳定期间,sd_cs=1
sd_mosi <= 1'b1; //sd_mosi=1
end
st_send_cmd0 : begin //发送CMD0软件复位命令
cmd_bit_cnt <= cmd_bit_cnt + 6'd1;
sd_cs <= 1'b0;
sd_mosi <= CMD0[6'd47 - cmd_bit_cnt]; //先发送CMD0命令高位
if(cmd_bit_cnt == 6'd47)
cmd_bit_cnt <= 6'd0;
end
//在接收CMD0响应返回期间,片选CS拉低,进入SPI模式
st_wait_cmd0 : begin
sd_mosi <= 1'b1;
if(res_en) //SD卡返回响应信号
//接收完成之后再拉高,进入SPI模式
sd_cs <= 1'b1;
over_time_cnt <= over_time_cnt + 1'b1; //超时计数器开始计数
//SD卡响应超时,重新发送软件复位命令
if(over_time_cnt == OVER_TIME_NUM - 1'b1)
over_time_en <= 1'b1;
if(over_time_en)
over_time_cnt <= 16'd0;
end
st_send_cmd8 : begin //发送CMD8
if(cmd_bit_cnt<=6'd47) begin
cmd_bit_cnt <= cmd_bit_cnt + 6'd1;
sd_cs <= 1'b0;
sd_mosi <= CMD8[6'd47 - cmd_bit_cnt]; //先发送CMD8命令高位
end
else begin
sd_mosi <= 1'b1;
if(res_en) begin //SD卡返回响应信号
sd_cs <= 1'b1;
cmd_bit_cnt <= 6'd0;
end
end
end
st_send_cmd55 : begin //发送CMD55
if(cmd_bit_cnt<=6'd47) begin
cmd_bit_cnt <= cmd_bit_cnt + 6'd1;
sd_cs <= 1'b0;
sd_mosi <= CMD55[6'd47 - cmd_bit_cnt];
end
else begin
sd_mosi <= 1'b1;
if(res_en) begin //SD卡返回响应信号
sd_cs <= 1'b1;
cmd_bit_cnt <= 6'd0;
end
end
end
st_send_acmd41 : begin //发送ACMD41
if(cmd_bit_cnt <= 6'd47) begin
cmd_bit_cnt <= cmd_bit_cnt + 6'd1;
sd_cs <= 1'b0;
sd_mosi <= ACMD41[6'd47 - cmd_bit_cnt];
end
else begin
sd_mosi <= 1'b1;
if(res_en) begin //SD卡返回响应信号
sd_cs <= 1'b1;
cmd_bit_cnt <= 6'd0;
end
end
end
st_init_done : begin //初始化完成
sd_init_done <= 1'b1;
sd_cs <= 1'b1;
sd_mosi <= 1'b1;
end
default : begin
sd_cs <= 1'b1;
sd_mosi <= 1'b1;
end
endcase
end
end
endmodule11.SDカードの読み込み操作
SD カードが一度に読み書きできるデータ量は、512 バイトの整数倍でなければなりません。つまり、SD カードが読み書きできるデータの最小量は 512 バイトです。CMD16 をコマンドすることで、1 回の読み取りと書き込み操作のデータ長を構成できるため、毎回の読み取りと書き込みのデータ量は (n*512) バイト (n≥1) になります。このプロジェクトでは、SD を使用します カードのデフォルト設定、つまり、1 回の読み取りおよび書き込み操作のデータ
量は 512 バイトです。
SD カード読み取り動作のタイミング図を図 10 に示します。
SD カードの読み取り操作プロセスは次のとおりです。
1. チップ セレクト CS ピンをプルダウンし、コマンド CMD17 (0x51) を送信して 1 つのデータ ブロックを読み取り、コマンドが送信された後に待機します。
SD カードは応答データを返します。
2. SD カードが正しい応答データ 0x00 を返すと、SD カードから返されたデータ ヘッダー 0xfe の解析を開始する準備が整います。
3. データ ヘッダー 0xfe に解析した後、SD カードから返された 512 バイトのデータを受信します。
4. データ解析が完了すると、次の 2 バイトの CRC チェック値が受信されます。SPIモードではデータを処理しないため
CRC チェック。これらの 2 バイトは直接無視できます。
5. 検証データを受信した後、8 クロック サイクル待ちます。
6. チップ セレクト CS ピンをプルアップし、8 クロック サイクル待って他の操作を許可します。
以下は、Verilog 言語で記述された SD カードの読み取り操作コードです。
module sd_read(
input clk_ref , //时钟信号
input clk_ref_180deg, //时钟信号,与clk_ref相位相差180度
input rst_n , //复位信号,低电平有效
//SD卡接口
input sd_miso , //SD卡SPI串行输入数据信号
output reg sd_cs , //SD卡SPI片选信号
output reg sd_mosi , //SD卡SPI串行输出数据信号
//用户读接口
input rd_start_en , //开始读SD卡数据信号
input [31:0] rd_sec_addr , //读数据扇区地址
output reg rd_busy , //读数据忙信号
output reg rd_val_en , //读数据有效信号
output reg [15:0] rd_val_data //读数据
);
//reg define
reg rd_en_d0 ; //rd_start_en信号延时打拍
reg rd_en_d1 ;
reg res_en ; //接收SD卡返回数据有效信号
reg [7:0] res_data ; //接收SD卡返回数据
reg res_flag ; //开始接收返回数据的标志
reg [5:0] res_bit_cnt ; //接收位数据计数器
reg rx_en_t ; //接收SD卡数据使能信号
reg [15:0] rx_data_t ; //接收SD卡数据
reg rx_flag ; //开始接收的标志
reg [3:0] rx_bit_cnt ; //接收数据位计数器
reg [8:0] rx_data_cnt ; //接收的数据个数计数器
reg rx_finish_en ; //接收完成使能信号
reg [3:0] rd_ctrl_cnt ; //读控制计数器
reg [47:0] cmd_rd ; //读命令
reg [5:0] cmd_bit_cnt ; //读命令位计数器
reg rd_data_flag ; //准备读取数据的标志
//wire define
wire pos_rd_en ; //开始读SD卡数据信号的上升沿
assign pos_rd_en = (~rd_en_d1) & rd_en_d0;
//rd_start_en信号延时打拍
always @(posedge clk_ref or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
rd_en_d0 <= 1'b0;
rd_en_d1 <= 1'b0;
end
else begin
rd_en_d0 <= rd_start_en;
rd_en_d1 <= rd_en_d0;
end
end
//接收sd卡返回的响应数据
//在clk_ref_180deg(sd_clk)的上升沿锁存数据
always @(posedge clk_ref_180deg or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
res_en <= 1'b0;
res_data <= 8'd0;
res_flag <= 1'b0;
res_bit_cnt <= 6'd0;
end
else begin
//sd_miso = 0 开始接收响应数据
if(sd_miso == 1'b0 && res_flag == 1'b0) begin
res_flag <= 1'b1;
res_data <= {res_data[6:0],sd_miso};
res_bit_cnt <= res_bit_cnt + 6'd1;
res_en <= 1'b0;
end
else if(res_flag) begin
res_data <= {res_data[6:0],sd_miso};
res_bit_cnt <= res_bit_cnt + 6'd1;
if(res_bit_cnt == 6'd7) begin
res_flag <= 1'b0;
res_bit_cnt <= 6'd0;
res_en <= 1'b1;
end
end
else
res_en <= 1'b0;
end
end
//接收SD卡有效数据
//在clk_ref_180deg(sd_clk)的上升沿锁存数据
always @(posedge clk_ref_180deg or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
rx_en_t <= 1'b0;
rx_data_t <= 16'd0;
rx_flag <= 1'b0;
rx_bit_cnt <= 4'd0;
rx_data_cnt <= 9'd0;
rx_finish_en <= 1'b0;
end
else begin
rx_en_t <= 1'b0;
rx_finish_en <= 1'b0;
//数据头0xfe 8'b1111_1110，所以检测0为起始位
if(rd_data_flag && sd_miso == 1'b0 && rx_flag == 1'b0)
rx_flag <= 1'b1;
else if(rx_flag) begin
rx_bit_cnt <= rx_bit_cnt + 4'd1;
rx_data_t <= {rx_data_t[14:0],sd_miso};
if(rx_bit_cnt == 4'd15) begin
rx_data_cnt <= rx_data_cnt + 9'd1;
//接收单个BLOCK共512个字节 = 256 * 16bit
if(rx_data_cnt <= 9'd255)
rx_en_t <= 1'b1;
else if(rx_data_cnt == 9'd257) begin //接收两个字节的CRC校验值
rx_flag <= 1'b0;
rx_finish_en <= 1'b1; //数据接收完成
rx_data_cnt <= 9'd0;
rx_bit_cnt <= 4'd0;
end
end
end
else
rx_data_t <= 16'd0;
end
end
//寄存输出数据有效信号和数据
always @(posedge clk_ref or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
rd_val_en <= 1'b0;
rd_val_data <= 16'd0;
end
else begin
if(rx_en_t) begin
rd_val_en <= 1'b1;
rd_val_data <= rx_data_t;
end
else
rd_val_en <= 1'b0;
end
end
//读命令
always @(posedge clk_ref or negedge rst_n) begin
if(!rst_n) begin
sd_cs <= 1'b1;
sd_mosi <= 1'b1;
rd_ctrl_cnt <= 4'd0;
cmd_rd <= 48'd0;
cmd_bit_cnt <= 6'd0;
rd_busy <= 1'b0;
rd_data_flag <= 1'b0;
end
else begin
case(rd_ctrl_cnt)
4'd0 : begin
rd_busy <= 1'b0;
sd_cs <= 1'b1;
sd_mosi <= 1'b1;
if(pos_rd_en) begin
cmd_rd <= {8'h51,rd_sec_addr,8'hff}; //写入单个命令块CMD17
rd_ctrl_cnt <= rd_ctrl_cnt + 4'd1; //控制计数器加1
//开始执行读取数据,拉高读忙信号
rd_busy <= 1'b1;
end
end
4'd1 : begin
if(cmd_bit_cnt <= 6'd47) begin //开始按位发送读命令
cmd_bit_cnt <= cmd_bit_cnt + 6'd1;
sd_cs <= 1'b0;
sd_mosi <= cmd_rd[6'd47 - cmd_bit_cnt]; //先发送高字节
end
else begin
sd_mosi <= 1'b1;
if(res_en) begin //SD卡响应
rd_ctrl_cnt <= rd_ctrl_cnt + 4'd1; //控制计数器加1
cmd_bit_cnt <= 6'd0;
end
end
end
4'd2 : begin
//拉高rd_data_flag信号,准备接收数据
rd_data_flag <= 1'b1;
if(rx_finish_en) begin //数据接收完成
rd_ctrl_cnt <= rd_ctrl_cnt + 4'd1;
rd_data_flag <= 1'b0;
sd_cs <= 1'b1;
end
end
default : begin
//进入空闲状态后,拉高片选信号,等待8个时钟周期
sd_cs <= 1'b1;
rd_ctrl_cnt <= rd_ctrl_cnt + 4'd1;
end
endcase
end
end
endmodule要約する
今回共有する内容は以上で、FPGAベースのSDカード音楽プレーヤープロジェクトで、SDカードとは何か、ハードウェア言語を使ってSDカードの初期化と読み込み操作を完了する方法を簡単に紹介します。