文章目錄

1、存儲(chǔ)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(shí)序

6、FPGA實(shí)現(xiàn)SD NAND讀寫(xiě)

6.1、設(shè)計(jì)思路

6.2、仿真結(jié)果

6.3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1、存儲(chǔ)芯片分類

目前市面上的存儲(chǔ)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(chǔ)器，是一種掉電后數(shù)據(jù)不丟失的存儲(chǔ)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(wú)法在應(yīng)用過(guò)程中寫(xiě)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(chǎng)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(chǔ)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(dòng)電路板。主要用來(lái)存儲(chǔ)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(jiǎn)單易用，其接口可以實(shí)現(xiàn)地址尋址，也就意味著可以做到直接對(duì)某個(gè)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(shuō)的Flash 存儲(chǔ)器一半默認(rèn)其就是NOR Flash ，但這無(wú)疑是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)摹LASH產(chǎn)品可以分為兩個(gè)大類：NOR Flash 和 NAND Flash 。

NAND Flash 是市場(chǎng)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(guò)接口輕松升級(jí)。

NAND Flash應(yīng)該是目前最熱門的存儲(chǔ)芯片了。因?yàn)槲覀兩钪薪?jīng)常使用的電子產(chǎn)品都會(huì)涉及到它。比如你買手機(jī)，肯定會(huì)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(chǔ)器，可以對(duì)稱為塊的存儲(chǔ)器單元塊進(jìn)行擦寫(xiě)和再編程。任何Flash 器件的寫(xiě)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(xiě)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(jiǎn)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(xiě)為0。

執(zhí)行擦除時(shí)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(jì)表明，對(duì)于給定的一套寫(xiě)入操作(尤其是更新小文件時(shí))，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(chǔ)解決方案時(shí)，用戶必須權(quán)衡以下因素：

NOR Flash支持隨機(jī)訪問(wèn)，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(shí)際情況會(huì)根據(jù)接口不同有些差異

NOR 與 NAND 寫(xiě)入前都需要先擦除，NOR在擦除時(shí)以64～128KB的塊進(jìn)行，執(zhí)行一個(gè)寫(xiě)入/擦除操作的時(shí)間約5s，NAND在擦除時(shí)以8～32KB的塊進(jìn)行，執(zhí)行一個(gè)寫(xiě)入/擦除操作的時(shí)間約4ms

NAND 理論最大擦除次數(shù)比NOR多

NOR 驅(qū)動(dòng)比NAND簡(jiǎn)單，NAND FLASH需要通過(guò)專門的NFI（NAND FLASH Interface）與Host端進(jìn)行通信，驅(qū)動(dòng)相對(duì)復(fù)雜

所有Flash 都會(huì)有位反轉(zhuǎn)的問(wèn)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(chǎng)景與應(yīng)用難度也不同，一般來(lái)講，NOR適用于小容量、略低速且需要直接對(duì)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(shí)改進(jìn)了不足之處，內(nèi)置的控制器能自行管理NAND Flash，無(wú)需在外部處理ECC和進(jìn)行壞塊管理，免去了MTD層，不需要寫(xiě)繁瑣的驅(qū)動(dòng)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(lái)，主要增加了兩個(gè)特色：更高的安全性和更快的讀寫(xiě)速度。

②容量標(biāo)準(zhǔn)和速度等級(jí)

若按照容量 對(duì) SD 卡進(jìn)行等級(jí)劃分，SD 卡可分為 4 個(gè)等級(jí)，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）。現(xiàn)今，市場(chǎng)的主流 SD 產(chǎn)品是 SDHC 和 SDXC 這兩種較大容量的存儲(chǔ) 卡，SD 卡因容量過(guò)小，已逐漸被市場(chǎng)淘汰，SDUC 則是容量太大，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)在未來(lái)市 場(chǎng)。SD 卡的四種容量標(biāo)準(zhǔn)，具體見(jiàn)下圖：

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

SD 協(xié)會(huì)定義了三種速度等級(jí)：速度等級(jí)、UHS 速度等級(jí)與視頻速度等級(jí)。三種速度等級(jí)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(shí)更應(yīng)該叫做TF卡，在日常生活中最常見(jiàn)的應(yīng)用就是數(shù)碼相機(jī)的存儲(chǔ)卡。因?yàn)樗强刹鹦兜模赃@類SD卡最大的優(yōu)點(diǎn)就是便攜方便，但同時(shí)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(jí)應(yīng)用中，更多見(jiàn)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?yàn)?SD NAND是為內(nèi)置存儲(chǔ)而生，是焊接在PCB板上的，是針對(duì)工業(yè)級(jí)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(shí)尺寸也小。而TF卡主要是針對(duì)普通消費(fèi)者，品質(zhì)和一致性、使用穩(wěn)定性等相對(duì)要求不高，再加上國(guó)內(nèi)魚(yú)龍混雜的市場(chǎng)環(huán)境，導(dǎo)致內(nèi)置存儲(chǔ)用TF卡的品質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)高。

NAND Flash產(chǎn)品的一個(gè)特質(zhì)就是它的品質(zhì)并不是0和1這么簡(jiǎn)單，有些品質(zhì)隱患是使用一段時(shí)間之后才被發(fā)現(xiàn)，如果這個(gè)產(chǎn)品已經(jīng)銷往海外，處理起來(lái)會(huì)變得異常麻煩。使用SD NAND可以為客戶產(chǎn)品帶來(lái)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(shí)，產(chǎn)品整機(jī)不可控因素會(huì)增高，比如常見(jiàn)的卡座老化松動(dòng)、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(shí)，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(shí)際應(yīng)用，其對(duì)外接口和驅(qū)動(dòng)程序都是一樣了，這說(shuō)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(gè)部分，分別為存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)單元接口、電源檢測(cè)、卡及接口控制器和對(duì)外接口，具體見(jiàn)下圖。

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

存儲(chǔ)單元接口是接口控制器與存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)交互通道

電源檢測(cè)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(shí)，它會(huì)使控制單元和存儲(chǔ)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(gè)寄存器

對(duì)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(duì)外接口

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

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

CMD：命令控制線， SDIO 主機(jī)通過(guò)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(guò)該線傳輸應(yīng)答信息； 使用 SPI 模式時(shí)，該引腳與 SPI總線的 MOSI 信號(hào)相連， SPI 主機(jī)通過(guò)它向 SD NAND發(fā)送命令及數(shù)據(jù)，但因?yàn)?SPI 總線 的 MOSI 僅用于主機(jī)向從機(jī)輸出信號(hào)，所以 SD NAND返回應(yīng)答信息時(shí)不使用該信號(hào)線；

DAT0-3：在 SDIO 模式下，它們均為數(shù)據(jù)線，傳輸讀寫(xiě)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(hào)相連， SD NAND通過(guò)該信號(hào)線向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)或響應(yīng)， DAT3 與總線的 CS 信號(hào)相連， SPI 主機(jī)通過(guò)該信號(hào)線選擇要通訊的 SD NAND。

VDD、VSS1、VSS2：電源和地信號(hào)。

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(hào)線；SDIO 總線與多個(gè) SD NAND連接時(shí)，可以共用 CLK 時(shí)鐘信號(hào)線，對(duì)于 CMD、DAT[3:0]信號(hào)線，每個(gè) SD NAND都要獨(dú)立連接。SDIO 總線與 SD 卡連接方式，具體見(jiàn)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(hào)線；SPI 總線與多個(gè) SD NAND連接時(shí)，除 CS 片選信號(hào)線不可共用外，其他信號(hào)均可公用。SPI 總線與 SD NAND連方式，具體見(jiàn)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(gè)寄存器，用于設(shè)定或表示 SD NAND信息，寄存器描述具體見(jiàn)下圖。 這些寄存器只能通過(guò)對(duì)應(yīng)的命令訪問(wèn)，對(duì) SD NAND的控制操作是通過(guò)命令來(lái)執(zhí)行的， SD NAND定義了 64 個(gè)命令（部分命令不支持 SPI 模式） ，每個(gè)命令都有特殊意義，可以實(shí)現(xiàn)某一特定功能， SD NAND接收到命令后，根據(jù)命令要求對(duì) 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(shí)現(xiàn) SD NAND的控制以及讀寫(xiě)操作。

內(nèi)部寄存器就不展開(kāi)講了，我們用FPGA實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)測(cè)試也不需要了解那么多寄存器。

5、SD NAND的控制時(shí)序

① 命令與讀寫(xiě)時(shí)序

SD NAND的通信是基于命令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹Ｍㄓ嵱梢粋€(gè)起始位(“0”)開(kāi)始，由一個(gè)停止位(“1”)終止。SD NAND通信一般是主機(jī)發(fā)送一個(gè)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(huì)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(jiàn)下圖：

SD NAND數(shù)據(jù)是以塊(Block)形式傳輸?shù)模琒DHC 規(guī)格數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)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(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸成功，CRC 位由 SD NAND系統(tǒng)硬件生成。單個(gè)數(shù)據(jù)塊的讀、寫(xiě)時(shí)序分別見(jiàn)下2圖：

讀寫(xiě)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(duì)命令返回響應(yīng)。在讀操作中， SD NAND返回一個(gè)數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊中包含 CRC校驗(yàn)碼；在寫(xiě)操作中，主機(jī)接收到命令響應(yīng)后需要先發(fā)送一個(gè)標(biāo)志（TOKEN）然后緊跟一個(gè)要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)塊，SD NAND接收完數(shù)據(jù)塊后會(huì)返回一個(gè)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(xiě)入到內(nèi)部存儲(chǔ)單元完成后，會(huì)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(gè)命令。

SD NAND數(shù)據(jù)傳輸支持單塊和多塊讀寫(xiě)，它們分別對(duì)應(yīng)不同的操作命令， 結(jié)束多塊讀寫(xiě)時(shí)需要使用命令來(lái)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(guò) CMD 信號(hào)線連續(xù)傳輸。SD NAND命令格式，具體見(jiàn)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(gè)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(shí)表示命令，方向?yàn)橹鳈C(jī)傳輸?shù)?SD NAND，該位為 0 時(shí)表示響應(yīng)，方向?yàn)?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(yàn)三個(gè)部分。

命令號(hào)：它固定占用 6bit，所以總共有 64 個(gè)命令，每個(gè)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(gè)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(méi)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(dòng)多個(gè) SD NAND時(shí)，通過(guò)地址信息區(qū)分控制不同的SD NAND，使用 SPI 總線驅(qū)動(dòng)時(shí)，通過(guò)片選引腳來(lái)選擇不同的SD NAND，所以使用這些命令時(shí)地址可填充任意值。

CRC7 校驗(yàn)：長(zhǎng)度為 7bit 的校驗(yàn)位用于驗(yàn)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(gè)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(dòng)時(shí)，命令中必須包含正確的 CRC7 校驗(yàn)值；而使用 SPI 驅(qū)動(dòng)時(shí)，命令中的 CRC7 校驗(yàn)?zāi)J(rèn)是關(guān)閉的，即這 CRC7 校驗(yàn)位中可以寫(xiě)入任意值而不影響通訊，僅在發(fā)送 CMD0 命令時(shí)需要強(qiáng)制帶標(biāo)準(zhǔn)的 CRC7 校驗(yàn)。

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(xiě)入 CMD55 命令后才能被識(shí)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(xiě)命令、數(shù)據(jù)塊讀命令、擦除命令等 12 種(class0 ~ class11)。

本次實(shí)驗(yàn)將會(huì)使用 SPI 模式實(shí)現(xiàn) SD NAND的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作，所以接下來(lái)只列舉 SPI 模式下常用的 SD 卡命令，具體見(jiàn)下表：

SPI 模式下，上述各命令中，命令 CMD0 的 CRC7 校驗(yàn)為固定的 1001_010；命令CMD8 的 CRC7 校驗(yàn)為固定的 1000_011；其他命令的 CRC7 校驗(yàn)在 SPI 模式下無(wú)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(shí)，會(huì)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(duì)部分響應(yīng)做介紹。

R1 響應(yīng)格式，具體見(jiàn)下圖：

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

erase reset：因?yàn)榻邮盏綗o(wú)需擦除操作的命令，擦除操作被復(fù)位

illegal command：接收到一個(gè)無(wú)效的命令代碼

com crc error：接收到的上一個(gè)命令的 CRC 校驗(yàn)錯(cuò)誤

erase sequence error：擦除命令的控制順序錯(cuò)誤

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

parameter error：命令的參數(shù)錯(cuò)誤

R3 響應(yīng)格式，具體見(jiàn)下圖：

R3 響應(yīng)包括 5 個(gè)字節(jié)，首先返回的第 1 個(gè)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(jiàn)下圖：

R7 響應(yīng)包括 5 個(gè)字節(jié)，首先返回的第 1 個(gè)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(gè)字節(jié)為檢查模式。

6、FPGA實(shí)現(xiàn)SD NAND讀寫(xiě)

接下來(lái)編寫(xiě)FPGA的Verilog代碼實(shí)現(xiàn)向SD NAND的指定扇區(qū)中寫(xiě)入512個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，寫(xiě)完后將數(shù)據(jù)讀出，并通過(guò)指示燈的方式驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否被正確讀寫(xiě)。需要說(shuō)明的是，后文的讀寫(xiě)操作均采用SPI模式。

6.1、設(shè)計(jì)思路

① 上電時(shí)序

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

② 初始化時(shí)序

SD NAND在正常讀寫(xiě)操作之前，必須先對(duì)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(duì)從機(jī)SD NAND發(fā)送至少74個(gè)以上的同步時(shí)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(shí)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(gè)時(shí)鐘周期再拉高片選CS信號(hào)，此時(shí)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(hào)0x01，在接收返回信息期間片選CS為低電平， 此時(shí)SD NAND進(jìn)入SPI模式，并開(kāi)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(hào)，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(gè)時(shí)鐘周期再拉高片選CS信號(hào)，此時(shí)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(shuō)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(gè)時(shí)鐘周期再拉高片選CS信號(hào)，此時(shí)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(hào)0x01，開(kāi)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(gè)時(shí)鐘周期再拉高片選CS信號(hào)，此時(shí)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(shí)初始化完成，否則重新執(zhí)行第6步。

③ 寫(xiě)操作時(shí)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(xiě)操作。SD NAND讀寫(xiě)一次的數(shù)據(jù)量必須為512字節(jié)的整數(shù)倍，即對(duì)SD NAND讀寫(xiě)操作的最少數(shù)據(jù)量為512 個(gè)字節(jié)。我們可以通過(guò)命令CMD16來(lái)配置單次讀寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，以使每次讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)量為 （n*512）個(gè)字節(jié)（n≥1），本次SD NAND的讀寫(xiě)操作使用默認(rèn)配置，即單次讀寫(xiě)操作的數(shù)據(jù)量為512個(gè)字節(jié)。

SD NAND的寫(xiě)操作時(shí)序圖如下圖所示：

拉低片選信號(hào) CS_N，向 SD NAND寫(xiě)入命令 CMD24，命令號(hào)為 0x58，攜帶參數(shù)為 4字節(jié)的 SD NAND寫(xiě)扇區(qū)地址，CRC 校驗(yàn)字節(jié)未使用直接寫(xiě)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(gè)時(shí)鐘周期，向 SD NAND寫(xiě)入令牌0xFE，緊隨其后寫(xiě)入 512 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，再向 SD NAND寫(xiě)入 2 個(gè)字節(jié)的 CRC 校驗(yàn)字節(jié)。SPI 模式下不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)，直接寫(xiě)入兩個(gè)字節(jié)的 0xFF

校驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后， SD NAND會(huì)有響應(yīng)數(shù)據(jù)返回，隨后 SD NAND將 Miso 信號(hào)拉低進(jìn)入寫(xiě)忙狀態(tài)

MISO 信號(hào)再次拉高后 SD NAND退出寫(xiě)忙狀態(tài)，等待 8 個(gè)時(shí)鐘周期后拉高片選信號(hào)，SD NAND數(shù)據(jù)寫(xiě)操作完成，可以執(zhí)行其它操作

④ 讀操作時(shí)序

SD NAND的讀操作時(shí)序圖如下圖所示：

1.拉低片選信號(hào) CS_N， 向 SD NAND寫(xiě)入命令 CMD17，命令號(hào)為 0x51，攜帶參數(shù)為 4字節(jié)的 SD NAND讀扇區(qū)地址，CRC 校驗(yàn)字節(jié)未使用直接寫(xiě)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(yàn)字節(jié)

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

4.數(shù)據(jù)解析完成后，接下來(lái)接收2個(gè)字節(jié)的 CRC 校驗(yàn)值。 由于 SPI 模式下不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 CRC 校驗(yàn)，可直接忽略這兩個(gè)字節(jié)

5.CRC 校驗(yàn)字節(jié)接收完畢，等待 8 個(gè)時(shí)鐘周期，拉高片選信號(hào) CS_N，一次數(shù)據(jù)讀操作完成

⑤ 程序設(shè)計(jì)

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

下圖是系統(tǒng)框圖，PLL時(shí)鐘模塊（PLL）為各個(gè)模塊提供驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，SD NAND測(cè)試數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生測(cè)試數(shù)據(jù)寫(xiě)入SD NAND，寫(xiě)完后從SD NAND中讀出數(shù)據(jù)，最終讀寫(xiě)測(cè)試結(jié)果由LED顯示模塊通過(guò)控制LED燈的顯示狀態(tài)來(lái)指示。

頂層模塊：頂層模塊完成了對(duì)其它四個(gè)模塊的例化，SD NAND測(cè)試數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的開(kāi)始寫(xiě)入信號(hào)及數(shù)據(jù)連接至SD NAND控制器模塊，數(shù)據(jù)寫(xiě)完后從SD NAND控制器中讀出數(shù)據(jù)， 并驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性，將驗(yàn)證的結(jié)果連接至LED顯示模塊。

PLL時(shí)鐘模塊：PLL時(shí)鐘模塊通過(guò)調(diào)用鎖相環(huán)（PLL）IP核來(lái)實(shí)現(xiàn)，總共輸出2個(gè)時(shí)鐘，頻率都是50Mhz，但兩個(gè)時(shí)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(shí)為高電平，數(shù)據(jù)發(fā)送是在時(shí)鐘的第一個(gè)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(gè)相位相差180度的時(shí)鐘來(lái)對(duì)SD NAND進(jìn)行操作。

SD NAND測(cè)試數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊：SD NAND測(cè)試數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生的開(kāi)始寫(xiě)入信號(hào)和數(shù)據(jù)寫(xiě)入SD NAND控制器模塊中，數(shù)據(jù)寫(xiě)完后從SD NAND控制器中讀出數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證數(shù)據(jù)的正確性，將驗(yàn)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(xiě)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(duì)SD NAND的上電初始化操作；SD NAND寫(xiě)數(shù)據(jù)模塊完成對(duì)SD NAND的寫(xiě)操作；SD NAND讀數(shù)據(jù)模塊完成對(duì)SD NAND的讀操作。 由于這三個(gè)模塊都操作了SD NAND的引腳信號(hào)，且這三個(gè)模塊在同一時(shí)間內(nèi)不會(huì)同時(shí)操作，所以此模塊實(shí)現(xiàn)了對(duì)其它三個(gè)模塊的例化以及選擇SD NAND的引腳連接至其中某一個(gè)模塊。

LED顯示模塊：LED顯示模塊將SD NAND測(cè)試數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊輸出的驗(yàn)證結(jié)果值， 通過(guò)控制LED燈的顯示狀態(tài)來(lái)指示。

SD NAND控制器部分代碼如下：

module sd_ctrl_top(

input clk_ref , //時(shí)鐘信號(hào)

input clk_ref_180deg, //時(shí)鐘信號(hào),與clk_ref相位相差180度

input rst_n , //復(fù)位信號(hào),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(hào)

output sd_clk , //SD卡SPI時(shí)鐘信號(hào)

output reg sd_cs , //SD卡SPI片選信號(hào)

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

//用戶寫(xiě)SD卡接口

input wr_start_en , //開(kāi)始寫(xiě)SD卡數(shù)據(jù)信號(hào)

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

input [15:0] wr_data , //寫(xiě)數(shù)據(jù)

output wr_busy , //寫(xiě)數(shù)據(jù)忙信號(hào)

output wr_req , //寫(xiě)數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)

//用戶讀SD卡接口

input rd_start_en , //開(kāi)始讀SD卡數(shù)據(jù)信號(hào)

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(hào)

output rd_val_en , //讀數(shù)據(jù)有效信號(hào)

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

output sd_init_done //SD卡初始化完成信號(hào)

);

//wire define

wire init_sd_clk ; //初始化SD卡時(shí)的低速時(shí)鐘

wire init_sd_cs ; //初始化模塊SD片選信號(hào)

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

wire wr_sd_cs ; //寫(xiě)數(shù)據(jù)模塊SD片選信號(hào)

wire wr_sd_mosi ; //寫(xiě)數(shù)據(jù)模塊SD數(shù)據(jù)輸出信號(hào)

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

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

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

//** 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(hào)選擇

always @(*) begin

//SD卡初始化完成之前,端口信號(hào)和初始化模塊信號(hào)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(xiě)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(xiě)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(hào)）連接至SD NAND測(cè)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(duì)SD NAND進(jìn)行讀寫(xiě)測(cè)試。SD NAND控制器模塊將SD NAND的初始化以及讀寫(xiě)操作封裝成方便用戶調(diào)用的接口，SD NAND測(cè)試數(shù)據(jù)產(chǎn)生模塊只需對(duì)SD NAND控制器模塊的用戶接口進(jìn)行操作即可完成對(duì)SD NAND的讀寫(xiě)操作。

6.2、仿真結(jié)果

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

6.3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

上文已經(jīng)說(shuō)了常用的相機(jī)中的TF卡與工業(yè)級(jí)的SD NAND（貼片式T卡）的區(qū)別，所以本次實(shí)驗(yàn)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(chǔ)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(jì)研發(fā)13年，在這一塊可以說(shuō)是相當(dāng)專業(yè)。如果你對(duì)NAND Flash仍有疑惑的問(wèn)題，或者你想在你的設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果其實(shí)沒(méi)什么好看的，LED燈常量表明說(shuō)明從SD NAND讀出的512個(gè)字節(jié)（256個(gè)16位數(shù)據(jù)） 與寫(xiě)入的數(shù)據(jù)相同，SD NAND讀寫(xiě)測(cè)試程序下載驗(yàn)證成功。

PS：有個(gè)小細(xì)節(jié)可以說(shuō)下，雷龍公司的SD NAND開(kāi)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(kāi)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(ài)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(qǐng)聯(lián)系我們，自己去理解或猜答案是件很累的事，請(qǐng)把最麻煩的事情交給我們來(lái)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(chǔ)行業(yè)13年，專業(yè)提供小容量存儲(chǔ)解決方案。