基于APB 總線的SD 卡控制器IP 設計

劉鐘宇，張振華

(中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽 110032)

1 引言

由于電子產品的高速發展和消費者需求，音頻、視頻多媒體技術隨之發展，數據存儲成為必須解決的一個主要問題。SD 卡以其資料儲存量高、傳輸資料速度快、攜帶方便與安全性極佳而被廣泛應用。隨著微電子技術的發展，多媒體技術逐漸成熟和降低成本的考慮，開始使用專門的ASIC 方案，SOC(System On Chip)芯片逐漸成為主流。一般SOC 系統上多采用AMBA 總線，基于此我們開發了一款AMBA－APB 總線的IP，該IP 還可以集成在FPGA系統中，應用于軍事、航空航天、測試和測量、消費類電子、醫療等領域。

通過對SD 卡協議的分析和APB 總線的研究，設計中使用SPI 方式對SD 卡進行讀寫操作，完成各種時序電路的設計，最后掛載到ARM 系統的AHB—APB 總線橋上，進行仿真，并下載到FPGA 器件中進行驗證，編寫相應的驗證程序完成了SD 卡上塊數據的讀寫。

2 SD 卡特性及接口簡介

2.1 SD 卡特性

·容量:32MB/64MB/128MB/256MB/512MB/1Gbyte

·兼容規范版本1.01

·兩個可選的通信協議:SD 模式和SPI 模式

·可變時鐘頻率0－25MHz

·通信電壓范圍:2.0－3.6V，工作電壓范圍:2.0－3.6V

·低電壓消耗:自動斷電及自動睡醒，智能電源管理

·無需額外編程電壓

·卡片帶電插拔保護

·正向兼容MMC 卡

·高速串行接口帶隨機存取

－－支持雙通道閃存交叉存取

－－快寫技術:一個低成本的方案，能夠超高速

訪問閃存和高可靠數據存儲

－－最大讀寫速率:10Mbyte/s

·數據壽命:10 萬次編程/擦除

2.2 設計中采用的SD 卡接口類型定義

該控制器的時序設計，采用SPI 方式與SD 卡進行數據傳輸，SPI時鐘極性為1，相位為1，其中SD卡在該方式下的引腳定義如表1 所示。

表1 SPI 方式下的SD 卡引腳定義

3 APB 總線介紹

APB 主要用于低帶寬周邊外設之間的連接，例如UART、SPI、TIMER 等，它的總線架構不像AHB 支持多個主模塊，在APB 里面唯一的主模塊就是APB橋。其特性包括:兩個時鐘周期傳輸;無需等待周期和回應信號;控制邏輯簡單，只有四個控制信號。

APB 上的傳輸可以用圖1 所示的狀態圖來說明。

圖1 狀態轉換圖

(1)系統初始化為IDLE 狀態，此時沒有傳輸操作，也沒有選中任何從模塊。

(2)當有傳輸要進行時，PSELx=1，PENABLE=0，系統進入SETUP 狀態，并只會在SETUP 狀態停留一個周期。當PCLK的下一個上升沿時到來時，系統進入ENABLE 狀態。

(3)系統進入ENABLE 狀態時，維持之前在SETUP 狀態的PADDR、PSEL、PWRITE 不變，并將PENABLE 置為1。傳輸也只會在ENABLE 狀態維持一個周期，在經過SETUP 與ENABLE 狀態之后就已完成。之后如果沒有傳輸要進行，就進入IDLE狀態等待;如果有連續的傳輸，則進入SETUP 狀態。

4 SD 卡—IP 實現

該IP 能實現SD 卡復位、初始化、塊讀寫操作和CID、CSD 等狀態信息讀取等。該IP是通過SPI 方式訪問SD 卡的。SD 卡IP的接口信號如表2 所示。

表2 IP 信號定義

圖2 SD－IP 結構框圖

4.1 寄存器的讀寫

當APB 總線對寄存器進行寫操作時，從圖3APB的寫時序來分析，需要PWRITE=1，PSEL=1，PENABLE=1，則寫信號可以表示為APB_WRITE=PWRITE ＆ PSEL ＆ PENABLE;要寫入的寄存器地址由PADDR 來做譯碼進行選擇，寫入的數據為PWDATA。

當APB 總線對寄存器進行讀操作時，從APB的讀時序圖來分析，需要PWRITE=0，PSEL=1，PENABLE=1，則寫信號可以表示為APB_WRITE=～PWRITE ＆ PSEL ＆ PENABLE;要讀出的寄存器地址由PADDR 來做譯碼進行選擇，讀出的數據為PRDATA，通過APB 總線橋傳輸到CPU AHB 總線的HRDATA。

圖3 APB 寫時序圖

圖4 APB 讀時序圖

基于以上時序分析，讀寫信號的邏輯設計如圖5 所示。

圖5 APB 讀寫控制信號

4.2 分頻模塊設計

分頻時鐘為SD_CLK，該時鐘主要是與外部的SD 卡進行SPI 通信，完成數據的讀和寫兩個過程。模塊輸入時鐘為PCLK，復位信號為PRESETn，8 位分頻寄存器的值SDIPRE，輸出信號則為SD_CLK，頻率值為:PCLK/2/(SDIPRE+1)。

設計思想是在PCLK時鐘驅動下進行計數，當計數器等于SDIPRE時，狀態個數或時鐘個數為SDIPRE+1，此時輸出信號SD_CLK 進行翻轉;翻轉兩次則形成一個周期，從而得到所要求的分頻值PCLK/2/(SDIPRE+1)。

另外需要考慮以下這種情況，當前SDIPRE 設定值為200，內部計數器會出現0－200的任意一個值，假設當前值為13，此時通過APB 總線設置SDIPRE=10，則需要187個時鐘周期才能再次使計數器和SDIPRE相等，也即SD_CLK 才能發生動作，然后才開始按照設定值進行工作。為實現設置SDIPRE 以后立刻按照所設定的周期產生SD_CLK，使用一個比較器，當計數器值大于或等于SDIPRE時，SD_CLK 即發生翻轉，實現工作頻率的立即變換。該模塊的結構設計見圖6。

4.3 FIFO 設計

CPU 在與SD 卡通信過程中，數據傳輸都是以塊操作來完成，數據量比較大，并且SD 卡接收時序比較慢，對于工作在AHB 總線上的CPU 來說，進行單個數據交換會大大影響系統的工作效率，因此在設計上加入了發送FIFO 和接收FIFO，這樣解決了異步傳輸，快速和慢速設備之間的數據交接。

圖6 分頻模塊結構

這兩塊FIFO 除了接口上信號不同外，內部都一樣，只是被例化成兩個不同的模塊。FIFO 大小設計成64/4byte，有滿、半滿，空和半空標志，因此可以通過中斷使能的開啟，產生中斷信號int_sd 快速與CPU 進行協調。FIFO 設計的關鍵點也是這幾個信號的產生，以發送FIFO為例，寫入端:時鐘為PCLK，寫入使能winc是通過PSEL 與所分配的APB地址譯碼相與來產生。

FIFO的設計框圖見圖7。主要由寫地址產生模塊wr_ptr、讀地址產生模塊rd_ptr、FIFO 滿空標志產生模塊status 和一個雙端口存儲器組成。讀寫地址采用格雷碼設計，并使用最高兩位來產生空還是滿的方向走勢。

4.4 SD 卡接口時序設計

SD－Card－Controller的讀寫時序由圖8 幾個狀態組成，在不同狀態下完成不同的時序，詳細時序見MMC 卡控制時序圖。該模塊具有初始化、復位、CSD 和CID 信息的讀取，BLOCK的讀和寫功能，主要完成在適當時間，通過SPI時序寫入命令、數據或讀出各種信息和數據，該過程中產生FIFO 讀時序、寫時序和相關寄存器的訪問。

圖7 FIFO 模塊結構

圖8 狀態機跳轉圖

該狀態機根據不同的寄存器命令和如下代碼中的信號，進行各個狀態之間的跳轉。該狀態機設計采用三段式，其組合邏輯部分也即狀態跳轉部分Verilog 代碼如下:

5 IP的FPGA 驗證

該IP的驗證主要通過 ARM9 內核外接AHB2APB－Briage 來產生APB時序，并外接程序存儲器和數據存儲器，具體驗證結構如圖9 所示。

圖9 SD－IP的FPGA 驗證結構

FPGA 采用Altera的EP3SL1150C2。首先在ADS 下編寫測試程序，對寄存器進行訪問，保證能夠讀寫，然后正確配置寄存器并通過FIFO 進行數據讀寫，根據FIFO 產生的中斷標志和狀態寄存器的兩種查詢方式，對SD－Card 進行塊讀寫操作。數據的讀寫正確性采用交叉驗證的方式，通過單片機在SD 卡上寫入一頁數據，通過下面的系統讀取該區域的數據;然后以該系統架構執行程序在SD 卡上寫入一頁數據，再通過單片機讀出數據，經過多次讀寫數據反復驗證，該模塊都能正常工作。驗證過程中使用嵌入在QuartusII 中的SignalTapII Logic Analayzer 對關鍵信號采集波形，其中圖10為CID信息的讀取波形。信號SPI_DIN是輸入到SD 卡的串行數據，從波形來看SPI_CS 變低以后，其輸出命令為4AH，接著4個00H，最后產生一個CRC 校驗數據，SPI_DOUT為SD 卡返回的信息。

圖10 讀取CID的時序波形

6 結束語

該IP的設計思想主要是參考三星S3C2410 中的SDIO 應用資料，測試分析之后進行結構設計，經過仿真驗證與設計規范相符合。目前接口為APB形式，并通過FPGA 驗證，可以進行頁寫入、讀出和相關信息(CID、CSD)的讀取。今后可以根據實際需要更改成各種類型的接口，嵌入到FPGA 或ASIC芯片等需要進行大量數據存儲的系統中。

［1］閻石.數字電子技術基礎［M］.北京:高等教育出版社，1997.

［2］袁俊泉.Verilog HDL 數字系統設計及其應用［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2002.

［3］Steve Furber.ARM SoC 體系結構［M］.田澤，于敦山，盛世敏，譯.北京:北京航空航天大學出版社，2002.