Trabaja con tarjeta SD a través de la interfaz SPI. Implementación de VHDL

Contenido

1. Especificaciones de lectura

1.1 General

• la transferencia de datos a la tarjeta SD se realiza en una línea;
• la lectura de datos de una tarjeta SD se realiza en una línea;
• en modo SPI, la potencia puede ser solo + 3.3V;
• frecuencia de reloj en modo de inicialización en el rango de 100-400 kHz;
• frecuencia de reloj después de la inicialización - 25 MHz.

• SDSC Capacidad de tarjeta de hasta 2 GB inclusive. La dirección dentro de la tarjeta es byte.
• SDHC. La capacidad de la tarjeta es de más de 2 GB y hasta 32 GB inclusive. La dirección dentro de la tarjeta indica un bloqueo de 512 bytes.
• SDXC. La capacidad de la tarjeta es de más de 32 GB y hasta 128 TB inclusive. La dirección dentro de la tarjeta indica un bloqueo de 512 bytes.

• El bit 47 (más a la izquierda) siempre contiene el valor 0.
• El bit 46 siempre contiene el valor 1.
• Los bits 45..40 contienen el índice de comando.
• Los bits 39..8 contienen los argumentos del comando.
• Los bits 7..1 contienen CRC de bits anteriores.
• El bit 0 siempre contiene el valor 1.

1.2 Inicialización

1. Después de encender la alimentación, espere al menos 1 ms.
2. Genere un mínimo de 74 cambios de reloj para la tarjeta. Las líneas CS y MOSI deben estar en estado de unidad lógica.
3. Generar comando CMD0. El comando CMD0 restablece la tarjeta SD.
4. CMD0. R1. , R1 16 , 3. R1 , 0x01 ( ), 3, 5.
5. CMD8. .
6. CMD8. R7. , , , 7, , , 17, 13.
7. CMD55. CMD55 , .
8. CMD55. R1. 0x01 ( ), 7, 9.
9. ACMD41. ACMD41 , SDSC ( 0x00000000) .
10. ACMD41. R1. , , 11. , 0x00 ( ) 14, 7.
11. CMD1. CMD1 ACMD41.
12. CMD1. R1. , , 13, , 0x00 ( ), 14, 11.
13. . , . .
14. CMD16. , 512 .
15. CMD16. R1. , 0x00 ( ) 16, 13.
16. . . .
17. CMD55. CMD55 , .
18. CMD55. R1. 0x01 ( ), 17, 19.
19. ACMD41. ACMD41. ACMD41 , SDHC ( 0x40000000) .
20. ACMD41. R1. , , 13. , 0x00 ( ) 21, 17.
21. CMD58. .
22. Esperando una respuesta al comando CMD58. La respuesta es una respuesta de tipo R3. Si se establece un bit en la respuesta de que la tarjeta funciona con direcciones de bloque de 512 bytes, vaya al paso 16, de lo contrario al paso 14.

Algoritmo Gráfico

1.3 Borrar información

1. CMD32. .
2. CMD32. R1. 0x00 ( - ), 3, 4.
3. . , .
4. CMD33. . , CMD32.
5. CMD33. R1. 0x00 ( - ), 3, 6
6. Envío del comando CMD38. El comando para borrar información de los bloques seleccionados. Cualquier 4 bytes debe enviarse como argumento, excepto los valores 0x00000001, 0x00000002.
7. Esperando una respuesta al comando CMD38. La respuesta es una respuesta de tipo R1b. Esta es una versión extendida de la respuesta cuando la tarjeta genera una respuesta R1 y luego dibuja la línea MISO a cero, lo que indica que el chip está ocupado. Es necesario esperar hasta que el valor de la unidad aparezca en la línea MISO. Si la respuesta no es 0x00 (hubo algún error al ejecutar el comando), vaya al paso 3, de lo contrario al paso 8
8. Finalización del algoritmo de borrado.

Algoritmo Gráfico

1.4 Información de lectura

1.4.1 Leer un solo bloque de datos

1.4.2 Lectura de múltiples bloques de datos

• Token de datos El comando de lectura usa el valor 0xFE.
• Bloque de datos Contiene datos leídos de la tarjeta.
• CRC Contiene la suma de verificación de los campos anteriores.

1. Envío del comando CMD18. El comando le dice a la tarjeta que se leerán varios bloques.
2. Esperando una respuesta al comando CMD18. La respuesta es una respuesta de tipo R1. Si la respuesta no es 0x00 (hubo algún error al ejecutar el comando), vaya al paso 3, de lo contrario al paso 4.
3. Estado de error Lectura fallida, saliendo del algoritmo de lectura.
4. Esperando una ficha de la tarjeta. Si se recibe un token de error de la tarjeta, vaya al paso 3; de lo contrario, vaya al paso 5.
5. Reciba desde una tarjeta de bloque de datos de 512 bytes de tamaño.
6. Recibir de la tarjeta CRC tamaño de campo de 2 bytes.
7. . , 8, 4.
8. CMD12. . , Data Packet, .
9. CMD12. R1b. R1, MISO , . MISO , . 0x00 ( - ), 3, 10.
10. .

Algoritmo Gráfico

1.5 Registro de información

1.5.1 Escribir un solo bloque de datos

1.5.2 Escribir múltiples bloques de datos

• Token de datos Para el comando de escritura, se utiliza el valor 0xFC.
• Bloque de datos Contiene datos escritos en la tarjeta.
• CRC Contiene la suma de verificación de los campos anteriores.

• Envío del comando CMD25. El comando le dice a la tarjeta que se escribirán varios bloques.
• CMD25. R1. 0x00 ( - ), 3, 4.
• . , .
• .
• 512 .
• CRC 2 .
• Data Response . , 3, 8.
• . , 9, 4.
• Stop Tran Token. , .
• Esperando una respuesta de la tarjeta. La tarjeta en Stop Tran Token dibuja la línea MISO a cero, lo que indica que la tarjeta está ocupada. Es necesario esperar en la línea MISO el valor de la unidad, que indicará el final del comando
• La finalización del algoritmo de grabación.

Algoritmo Gráfico

2. Implementación del algoritmo en hardware.

• Formación de frecuencia inicial. Las líneas CS y MOSI deben estar en estado de unidad lógica.
• Transfiere datos a una tarjeta SD.
• Recibir datos de una tarjeta SD.
• A la espera de la finalización del equipo. Se utiliza cuando, después de generar una respuesta, la tarjeta SD dibuja la línea MISO a cero para esperar la aparición de una unidad.
• Lea la respuesta al escribir datos.
• Esperando un token mientras lee datos.

• Señal de reloj para inicializar.
• Señal de reloj para el trabajo.

• El componente de la capa física, que está conectada directamente a la tarjeta SD, genera señales SCLK, CS, DI, lee con DO.
• Un componente de nivel de comando que prepara todos los datos para un componente en la capa física.
• Un componente de comunicación con el mundo exterior que oculta todo el dispositivo interno y proporciona una interfaz para comandos (lectura, escritura, borrado) y datos.

2.1 Componente de capa física

entity SDPhy is
	generic	(	gTCQ		: time := 2 ns );
	port	(	-- Control bus
			iPhyTxData	: in	std_logic_vector( 9 downto 0);
			iPhyMode	: in	std_logic_vector( 4 downto 0);
			iPhyTxWrite	: in	std_logic;
			oPhyTxReady	: out	std_logic; 
			-- Out Data
			oPhyRxData	: out	std_logic_vector( 7 downto 0); 
			oPhyRxWrite	: out	std_logic;
			oPhyCmdEnd	: out	std_logic;
			-- Spi
			oSdCS		: out	std_logic;
			oSdClk		: out	std_logic;
			oSdMosi		: out	std_logic;
			oSdMosiT	: out	std_logic;
			iSdMiso		: in	std_logic;
			-- system
			sclk		: in	std_logic;
			pclk		: in	std_logic;
			rst		: in	std_logic ); 
end SDPhy;

• iPhyTxData , iPhyMode , .
• iPhyTxWrite , iPhyTxData iPhyMode .
• oPhyTxReady , . FULL FIFO, .
• oPhyRxData , SD-.
• oPhyRxWrite , oPhyRxData .
• oPhyCmdEnd , .
• oSdCS (CS) SD-.
• oSdClk SD-.
• oSdMosi SD-.
• oSdMosiT SD-.
• iSdMiso SD-.
• sclk SD- (50 ).
• pclk , .
• primera señal de reinicio, nivel uno activo.

• El estado SDummy proporciona conformación de frecuencia inicial, 128 conmutaciones.
• El estado de STxBits proporciona transferencia de datos a la tarjeta SD.

• El estado sRxBits proporciona recepción de datos desde la tarjeta SD.
• El estado sBusy asegura que la tarjeta SD esté lista (la tarjeta libera la línea MISO al nivel de la unidad).
• El estado sResp implementa la lectura de la respuesta al escribir datos.
• El estado sToken implementa una espera de token mientras lee datos.

2.2 Componente a nivel de comando

entity SdCommand is
	generic	(	gTCQ		: time := 2 ns );
	port	(	-- Command from host
			oSdInitComp	: out	std_logic;
			oSdInitFail	: out	std_logic;
			iSdAddress	: in	std_logic_vector(31 downto 0);
			iSdStartErase	: in	std_logic;
			iSdStartRead	: in	std_logic;
			iSdStartWrite	: in	std_logic;
			oSdCmdFinish	: out	std_logic_vector( 1 downto 0);
			oSdhcPresent	: out	std_logic;
			-- Data
			oSdReadData	: out	std_logic;
			iSdDataR	: in	std_logic_vector(31 downto 0);
			oSdWriteData	: out	std_logic;
			oSdDataW	: out	std_logic_vector(32 downto 0);
			-- Spi
			oSdCS		: out	std_logic;
			oSdClk		: out	std_logic;
			oSdMosi		: out	std_logic;
			oSdMosiT	: out	std_logic;
			iSdMiso		: in	std_logic;
			-- system
			pclk		: in	std_logic;
			sclk		: in	std_logic;
			rst		: in	std_logic );

• oSdInitComp firma la finalización de la inicialización de la tarjeta SD.
• oSdInitFail signo de error de inicialización.
• Dirección de iSdAddress en la tarjeta SD para ejecutar el comando.
• iSdStartErase iniciar la ejecución del comando de borrado.
• iSdStartRead comienza a leer la ejecución del comando.
• iSdStartWrite iniciar la ejecución del comando de escritura.
• oSdCmd: Finaliza el estado de finalización del equipo. El bit cero es igual a uno, el comando se completó con éxito. El primer bit es uno, el comando se completó con un error.
• oSdhc Indicador actual de detección de tarjeta SDHC / SDXC.
• oSdReadData Leer datos para escribir en la tarjeta SD.
• Datos iSdDataR para escribir en la tarjeta SD.
• Indicador oSdWriteData para escribir datos leídos de la tarjeta SD.
• Datos de oSdDataW leídos de una tarjeta SD.

• smSdInit ( github ): inicialización de la tarjeta SD.
• smSdErase ( github ): borra datos de una tarjeta SD.
• smSdRead ( github ): lee datos de una tarjeta SD.
• smSdWrite ( github ): escribe datos en una tarjeta SD.
• smSdCommand ( github ): sobre la base de las características generadas, prepara los datos para la capa física de todas las máquinas anteriores.

2.3 Componente de comunicación con el mundo exterior.

entity SdHost is
	generic	(	gTCQ		: time := 2 ns );
	port	(	-- Sd Host command
			iSdCommand	: in	std_logic_vector( 2 downto 0);
			iSdAddress	: in	std_logic_vector(31 downto 0);
			iSdStart	: in	std_logic;
			oSdStatus	: out	std_logic_vector( 1 downto 0);
			oSdInitFail	: out	std_logic;
			-- Write data to card
			iSdTxData	: in	std_logic_vector(31 downto 0);
			iSdTxValid	: in	std_logic;
			iSdTxLast	: in	std_logic;
			oSdTxReady	: out	std_logic;
			-- Read data from card
			oSdRxData	: out	std_logic_vector(31 downto 0);
			oSdRxValid	: out	std_logic;
			oSdRxLast	: out	std_logic;
			iSdRxReady	: in	std_logic;
			-- Spi
			oSdCS		: out	std_logic;
			oSdClk		: out	std_logic;
			oSdMosi		: out	std_logic;
			oSdMosiT	: out	std_logic;
			iSdMiso		: in	std_logic;
			-- system
			pclk		: in	std_logic;
			sclk		: in	std_logic;
			rst		: in	std_logic );

• Código de comando de iSdCommand para ejecutar.
• iSdAddress es la dirección para ejecutar el comando.
• Ejecución del comando de inicio iSdStart.
• oSdStatus estado de finalización del equipo. El bit cero es igual a uno: se completa el comando. El primer bit es uno: el comando se completó con un error.
• oSdInitFail signo de error de inicialización.
• iSdTxData. Interfaz Axi-Stream para escribir datos en una tarjeta SD. Puerto con datos.
• iSdTxValid. Interfaz Axi-Stream para escribir datos en una tarjeta SD. Puerto con señal de escritura.
• iSdTxLast. Interfaz Axi-Stream para escribir datos en una tarjeta SD. Puerto con un signo de la última dw en los datos.
• oSdTxReady. Interfaz Axi-Stream para escribir datos en una tarjeta SD. Puerto con un signo de disponibilidad para recibir datos.
• oSdRxData. Interfaz Axi-Stream para leer datos de una tarjeta SD. Puerto con datos.
• oSdRxValid. Interfaz Axi-Stream para leer datos de una tarjeta SD. Puerto con señal de escritura.
• oSdRxLast. Interfaz Axi-Stream para leer datos de una tarjeta SD. Puerto con un signo de la última dw en los datos.
• iSdRxReady. Interfaz Axi-Stream para leer datos de una tarjeta SD. Puerto con un signo de disponibilidad para recibir datos.

• Estado de reposo. Esperando la inicialización y el comando para completar.
• El estado de sWaitCmd. Comprobando el tipo de comando.
• sReadCmd. FIFO, , SD- .
• sWriteCmd. , FIFO SD-, .
• sEraseCmd. .
• sWaitEnd. .
• sFinish. , .

3.

• Establecer dirección en la tarjeta SD.
• Establecer el código de comando 2.
• Escribir datos en un búfer ubicado en lógica programable.
• Ejecute el comando
• Espere hasta que se complete el comando.
• Restablecer el estado de finalización del equipo.

for (SectorAddress = 0; SectorAddress < 1048576; SectorAddress ++)
{
	if ((SectorAddress % 1024) == 0)
	{
		xil_printf("Data write to %d sector \n\r", SectorAddress);
	}

	/** Set address */
	Xil_Out32(0x43c00008, SectorAddress);

	/** Set command */
	Xil_Out32(0x43c00004, 2);

	/** Write data to PL */
	for (int32_t i = 0; i < 1024; i++)
	{
		Xil_Out32(0x43c00014, cntrData);
		cntrData++;
	}

	/** Start */
	Xil_Out32(0x43c00000, 1);

	/** Wait end of operation */
	for (;;)
	{
		status = Xil_In32(0x43c0000c);
		if (status == 0x01 || status == 0x03)
		{
			if (status == 0x03)
			{
				xil_printf("Error in write \n\r");
			}
			break;
		}
		else
		{
			cntrDuration++;
			usleep(100);
		}
	}

	/** Duration operation */
	durationWrite += cntrDuration;

	if (cntrDuration > MaxWrite )
	{
		MaxWrite = cntrDuration;
	}

	cntrDuration = 0x00;

	/** Clear start */
	Xil_Out32(0x43c00000, 0);

	SectorAddress += 7;
}

• Establecer dirección en la tarjeta SD.
• Establecer código de comando 1.
• Ejecute el comando
• Espere hasta que se complete el comando.
• Restablecer el estado de finalización del equipo.
• Leer datos del búfer en lógica programable.

for (SectorAddress = 0; SectorAddress < 1048576; SectorAddress++)
{
	if ((SectorAddress % 1024) == 0)
	{
		xil_printf("Data read from %d sector \n\r", SectorAddress);
	}

	/** Set address */
	Xil_Out32(0x43c00008, SectorAddress);

	/** Set command */
	Xil_Out32(0x43c00004, 1);

	/** Start */
	Xil_Out32(0x43c00000, 1);

	/** Wait end of operation */
	for (;;)
	{
		status = Xil_In32(0x43c0000c);
		if (status == 0x01 || status == 0x03)
		{
			 if (status == 0x03)
			{
				xil_printf("Error in read \n\r");
			}
			break;
		}
		else
		{
			cntrDuration++;
			usleep(100);
		}
	}

	 /** Duration operation */
	 durationRead += cntrDuration;

	 if (cntrDuration > MaxRead )
	 {
		 MaxRead = cntrDuration;
	 }

	cntrDuration = 0x00;

	/** Clear start */
	Xil_Out32(0x43c00000, 0);

	/** Read data from PL */
	for (int32_t i = 0; i < 1024; i++)
	{
		DataR = Xil_In32(0x43c0001c);
		if (DataR != cntrData)
		{
			xil_printf("Data corrupt! \n\r");
		}
		DataR = Xil_In32(0x43c00020);
		cntrData++;
	}

	SectorAddress += 7;
}

• Establecer dirección en la tarjeta SD.
• Establecer el código de comando 4.
• Ejecute el comando
• Espere hasta que se complete el comando.
• Restablecer el estado de finalización del equipo.

for (SectorAddress = 0; SectorAddress < 1048576; SectorAddress++)
{
	if ((SectorAddress % 1024) == 0)
	{
		xil_printf("Data erase from %d sector \n\r", SectorAddress);
	}

	/** Set address */
	Xil_Out32(0x43c00008, SectorAddress);

	/** Set command */
	Xil_Out32(0x43c00004, 4);

	/** Start */
	Xil_Out32(0x43c00000, 1);

	/** Wait end of operation */
	for (;;)
	{
		status = Xil_In32(0x43c0000c);
		if (status == 0x01 || status == 0x03)
		{
			if (status == 0x03)
			{
				xil_printf("Error in write! \n\r");
			}
			break;
		}
		else
		{
			cntrDuration++;
			usleep(100);
		}
	}

	/** Duration operation */
	durationErase += cntrDuration;

	if (cntrDuration > MaxErase )
	{
		MaxErase = cntrDuration;
	}

	cntrDuration = 0x00;

	/** Clear start */
	Xil_Out32(0x43c00000, 0);

	SectorAddress += 7;
}

4. Resultados