基于FPGA的SD卡讀寫操作（二）

引言：上一篇博文介紹了SD卡的理論知識，本文我們介紹如何利用FPGA實現(xiàn)SD卡的讀寫操作。

1.硬件電路

開發(fā)板上裝有一個 Micro SD 卡座，F(xiàn)PGA 通過 SPI 數(shù)據(jù)總線訪問 Micro SD 卡, SD 卡座和 FPGA的硬件電路連接如圖1所示。

圖1：SD卡硬件原理圖設(shè)計

本文通過SD卡SPI模式進行讀寫操作，SPI模式管腳定義如圖1所示。

2. SD卡協(xié)議簡介

SD卡的協(xié)議是一種簡單的命令/響應(yīng)的協(xié)議。全部命令由主機發(fā)起，SD卡接收到命令后并返回響應(yīng)數(shù)據(jù)。根據(jù)命令的不同，返回的數(shù)據(jù)內(nèi)容和長度也不同。

SD卡命令是一個6字節(jié)組成的命令包，其中第一個字節(jié)為命令號，命令號高位bit7和bit6為固定的“01“，其它6個bit為具體的命令號。第2個字節(jié)到第5個字節(jié)為命令參數(shù)。第6個字節(jié)為7個bit的CRC校驗加1個bit的結(jié)束位。如果在SPI模式的時候，CRC校驗位為可選。如圖2所示，Command表示命令，通常使用十進制表示名稱，例如CMD17，這個時候 Command就是十進制的17。

圖2：SD卡命令格式

SD卡對每個命令會返回一個響應(yīng)，每個命令有一定的響應(yīng)格式。響應(yīng)的格式跟給它的命令號有關(guān)。在 SPI 模式中，有三種響應(yīng)格式：R1，R2，R3。

圖3：SPI模式響應(yīng)R1格式

圖4：SPI模式響應(yīng)R2格式

圖5：SPI模式響應(yīng)R3格式

2.2.1 SD卡2.0版的初始化步驟

（1）上電后延時至少74clock，等待SD卡內(nèi)部操作完成；

（2） 片選CS低電平選中SD卡；

（3）發(fā)送CMD0，需要返回0x01，進入Idle狀態(tài)；

（4）為了區(qū)別SD卡是2.0還是1.0，或是MMC卡，這里根據(jù)協(xié)議向上兼容的，首先發(fā)送只有SD2.0才有的命令CMD8，如果CMD8返回?zé)o錯誤，則初步判斷為2.0卡，進一步循環(huán)發(fā)送命令CMD55+ACMD41，直到返回0x00，確定 SD2.0卡；

（5）如果CMD8返回錯誤則判斷為1.0卡還是MMC卡，循環(huán)發(fā)送 CMD55+ACMD41，返回?zé)o錯誤，則為SD1.0卡，到此SD1.0卡初始成功，如果在一定的循環(huán)次數(shù)下，返回為錯誤，則進一步發(fā)送CMD1進行初始化，如果返回?zé)o錯誤，則確定為MMC卡，如果在一定的次數(shù)下，返回為錯誤，則不能識別該卡，初始化結(jié)束。（通過CMD16可以改變SD卡一次性讀寫的長度）；

（6） CS 拉高。

2.2.2 SD卡的讀步驟

（1）發(fā)送 CMD17（單塊）或 CMD18（多塊）讀命令，返回 0X00；

（2）接收數(shù)據(jù)開始令牌fe（或fc）+正式數(shù)據(jù)512Bytes+CRC校驗2Bytes，默認(rèn)正式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度是 512Bytes。圖 6：單塊讀操作

2.2.3 SD卡的寫步驟

（1）發(fā)送 CMD24（單塊）或 CMD25（多塊）讀命令，返回 0X00；

（2）接收數(shù)據(jù)開始令牌fe（或fc）+正式數(shù)據(jù)512Bytes+CRC校驗2Bytes。

圖 7：單塊寫操作

3.FPGA實現(xiàn)

（1）軟件實現(xiàn)

本文要利用FPGA通過SPI接口實現(xiàn)SD卡讀寫操作。具體功能如下：

（1）SD卡SPI接口驅(qū)動設(shè)計；

（2）SD卡讀寫操作；

（3）讀出數(shù)據(jù)顯示在LED燈上；

（4）按鍵消抖功能。

軟件功能模塊劃分如圖8所示。

圖8：軟件功能模塊框圖

各個模塊功能：

（1）sd_card_test.v模塊為頂層模塊，實現(xiàn)模塊間互聯(lián)；（2）spi_master.v實現(xiàn)SPI總線接口對外通信功能；
（3）sd_card_cmd.v實現(xiàn)SD卡命令協(xié)議功能；

（4）sd_card_sec_read_write.v實現(xiàn)SD卡讀寫命令狀態(tài)機操作功能；

（5）sd_card_top.v實現(xiàn)SD卡讀寫功能頂層互聯(lián)；
（6）KeyJitters.v實現(xiàn)按鍵操作消抖功能；

（7）sd_test_ctrl.v實現(xiàn)SD卡測試數(shù)據(jù)讀寫狀態(tài)機控制。

?（2）測試結(jié)果

軟件下載至電路板，SD卡讀出數(shù)據(jù)正常顯示在LED上，如圖9所示，顯示讀寫操作正確。

圖9：SD卡讀出數(shù)據(jù)

圖10：SD卡讀出數(shù)據(jù)顯示在LED燈上

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