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SOC项目AHB_SD_HOST控制器设计

2022-06-30 06:38:00 【捌肆幺幺】

目录

1.SD 2.0 协议

1.1 特性

  • 标准容量SD存储卡：最大含2gb
  • 高容量SD存储卡：大于2GB(此版本2.0规格限制容量不超过32GB)
  • 电压范围：3.3v 工作电压范围:2.7- 3.6v
  • 双电压SD存储卡：工作电压范围有低电压范围(T.B.D)和 2.7-3.6 V
  • 有只读和读写两种模式
  • 默认模式：可变时钟速率0 - 25MHz，高达12.5 Mb/s接口速度(使用4条并行数据线)
  • 高速模式：可变时钟速率0 - 50MHz，高达25Mb/s的接口速度(使用4条并行数据线)
  • 读取操作时拆卡不会损害内容
  • 内容保护机制-符合SDMI标准的最高安全性
  • 卡的密码保护(CMD42 - LOCK_UNLOCK)
  • 使用机械开关的写保护功能内置
  • 写保护功能(永久和临时)
  • 卡检测(插入/删除)
  • 特定于应用程序的命令
  • 舒适的擦除机制
  • 在SD总线上的通信是基于命令和数据流，这些数据流由一个开始位发起，并由一个停止位终止
    在这里插入图片描述

1.2 传输

①command

  • 0起始1结束
  • crc，7位，是计算出来的，最后进行check
  • 数据38bit，总长48bit

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②response

  • 四种response类型R1 R3 R6 R2

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③数据传输

  • 两种传输方法，一线和四线

  • 一线数据排布
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    在这里插入图片描述

  • 四线数据排布
    在这里插入图片描述
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1.3 接口

  • 上面说了SD协议是6个pin脚，而这个封装却9个，实际上多了3个电源的pin
  • wp就是1.1中提到的机械开关

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1.4 reg

  • 每一张sd卡都有它的寄存器信息，下面展开介绍
名字位宽描述
CID128相当于SD卡的身份证
RAC16SD卡的相对地址 ，让host知道SD卡的位置
DSR16（不重要）
CSD128SD卡的操作条件信息有关
SCR64配置寄存器
OCR32操作寄存器
SSR512状态寄存器，卡的属性特性
CSR32状态寄存器，卡的状态

1.5 SD内部

  • 上电复位 power on reset
  • 软件也可以通过命令复位

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1.6 两种command

  • 主机和卡之间的所有通信都由主机控制，而主机发送两种类型的命令：广播和地址命令（point2point）
  • 广播命令广播命令适用于所有卡，其中一些命令需要响应
  • 地址命令被发送到寻址卡并引起该卡的响应

1.7 卡状态

  1. 我们设计的是AHB_SD_HOST控制器，但是也需要了解SD卡内部的状态
  2. 这样才能考虑好设计的情况
  3. programing存在的理由就是数据先缓存，然后再programing到非易失性的mem中
    在这里插入图片描述

1.8 插卡识别

  1. 上电处于idle状态，发送CMD0，检查host提供的电压
  2. 继续发CMD8，如果SD卡有response，则电压适合，若没有，则不会工作
  3. 接着发ACMD41，检查SD卡能否兼容host
  4. 接着发CMD2进行身份验证，也就是get CID
  5. 再发CMD3进行二重认证，也就是get RCA
  6. 最后进入数据阶段的stand-by状态

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1.9 传输状态

  • SD卡的传输状态
  • SD卡中有好多CMD，但是在host中我们不可能全部兼容设计，只设计一些常用的CMD

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1.10 总线宽度选择

  1. 宽总线(4Bit 宽)操作模式可以通过命令 ACMD6 来选定和取消
  2. 上电或者 GO_IDLE(CMD0)命令 后，默认的总线宽度是1Bit.
  3. 如果想要改变总线宽度，需要具备下面两个条件:
    a) 卡处于 transfer 状态
    b) 卡没有被锁定 (锁定的卡会认为 ACMD6 是无效命令)

1.11 读写数据

  • 当没有数据传输的时候，DAT 总线电平被拉高
  • 一个传输的“数据块”包含了起始位(1bit 或者 4bit低)，和后面连续的数据流
  • 数据流包含了有效数据
  • 数据流后面是结束位
  • 块数据传输的有效性是通过CRC校验值来进行的
  • 从 SD 卡读数据的操作有可能被断电中止，即使突然断电或者移除，SD 卡都会确保数据
    不被损坏，但是主机发起的写操作和擦除操作时不行
    BLOCK_LEN_ERROR 或者 ADDRESS_ERROR发生的时候，读写命令是不能执行的，并且也不能 数据传输。

1.12 循环冗余码(CRC)

CRC 适用于保护 SD 总线上的 SD 卡命令，响应和数据传输免于出错的。命令线上，每个命令
都会产生 CRC，而每个响应也都会检查 CRC。对于数据块来说，每一个传输的块都会产生 CRC。
CRC 的产生和检查描述如下：

  1. CRC7

    CRC7 的检测是用于所有的命令，所有的响应(除了 R3)，以及 CSD 和 CID 寄存器
    生成电路：
    在这里插入图片描述

  2. CRC16
    使用数据线的时候，CRC16 用于有效保护块传输模式
    CRC16 应该单独的用在每个数据线上，即使是宽总线模式，也要每跟数据线单独校验
    生成电路
    在这里插入图片描述

1.13 命令格式

  • 所有的命令都有一个固定的长度 48bit，在 25MHz 的频率下需要 1.92us，在 50Mhz 的频
    率下需要 0.96us
    在这里插入图片描述
  • 来看看具体的CMD基础命令

在这里插入图片描述
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  • 具体的其他命令还是要在sd2.0协议的datasheet里面去看

1.14 卡状态转换表

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1.15 响应

  • 所有的响应都是通过 CMD 线发送的；响应总是从 bit 串最左边的 bit 开始发送，对应响
    应码；响应的长度取决于响应的类型

  • R1：正常响应命令，和command格式几乎一样
    在这里插入图片描述

  • R2：CID、CSD 寄存器，长度为 136bit；CID 寄存器的内容作为 CMD2 和 CMD10 的响应发；CSD 寄存器的内容作为 CMD9 的响应发送；只传输 CID 和 CSD 寄存器的[127:1]位，这些寄存器的第[0]位被响应的结束位替代了
    在这里插入图片描述

  • R3：长度 48bit，OCR 寄存器的值作为 ACMD41 的响应发送
    在这里插入图片描述

  • R6：发布的 RCA 寄存器响应，长度 48bit。[45:40]是响应的命令号，这里就是‘000011’，即CMD3；参数中的 16位MSB 用于产生 RCA 号
    在这里插入图片描述

  • R7：长度 48bit；卡支持的电压信息通过 CMD8 的响应发送；Bit[19:16]表明卡支持的电压范围；卡接受提供的电压范围就返回 R7 响应；卡会在响应的参数中返回电压范围和检查模式
    在这里插入图片描述

1.16 时序

  • 时序图采用的图例和缩写：P 和 Z 的不同之处就是，P 是被主机输出驱动的各个卡主动拉高的，Z 是分别被上拉电阻 Rcmd 和 Rdat 拉高，P 受噪音影响更小写
    在这里插入图片描述
  • 卡识别时序：CMD2 和 ACMD41 的时序如下。命令后跟着两个 Z bit(允许总线切换方向的时间)，接着是响应卡发出的 P bit；卡响应主机命令的起始在 Nid 时钟周期后
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  • 分配卡的相对地址RCA：SEND_RELATIVE_ADDR(CMD3)命令时序如下；主机命令和响应之间的最小延迟是 Ncr 个时钟周期
    在这里插入图片描述
  • 数据传输模式：当卡发布自己的 RCA 后，将会切换到数据传输模式“transfer”，这个响应时序是除了 ACMD41 和 CMD2之外，所有主机命令响应的时序
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  • 响应后到下个命令的时序：主机在最少 Nrc 个时钟周期后可以继续发送下一个命令
    在这里插入图片描述
  • 无响应时的下一个命令时序：主机在最少 Ncc 个时钟周期后可以继续发送下一个命令在这里插入图片描述
  • 单块读（single block read）：序列以单块读命令(CMD17)开始，CMD17 在参数中指出了起始地址，这里又多了一个Nac的周期数
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  • 多块读（multiple block read）：多块读模式中，在主机读命令之后，卡发送一个连续的数据块流；通过 CMD12 来中止
    在这里插入图片描述
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  • 单块写：主机通过命令 CMD7 来选择一个卡进行写操作；主机通过命令 CMD16来设置需要进行块传输的有效块长度；写操作的基础总线时序。以 CMD24 作为开始，标明起始地址；卡通过 CMD线回应；主机的数据传输在收到响应后的 Nwr 时钟周期后开始

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  • 多块写：有busy就等待，没有就继续发数据，也是使用CMD12结束
    在这里插入图片描述
  • 上述的参数N表
    在这里插入图片描述

2.SD_HOST控制器设计架构

AHB_SD_HOST总的来说就是产生符合SD协议的命令和数据的操作，整体架构如下
在这里插入图片描述

2.1 需要完成的功能

  • 控制器AHB总线接口数据处理符合AMBATM Specification(Rev 2.0)协议
  • SD SpecificationsVersion 2.00
  • 具备多个控制配置寄存器，可以实现对命令和数据的控制
  • Built-in DMA，支持AHB总线字( word) single & incr模式传输
  • 支持对卡的单块、多块读写和读写加速
  • 和SDIO模块共享FIFO和内嵌DMA模块
  • 内含相应寄存器和分频电路，实现SD总线的时钟控制
  • 读操作时，硬件停时钟功能（省点功耗）

2.2 软硬件划分

  • 软件：说白了就是寄存器的配置以及时序的配置
  • 硬件：
    ①AHB DMA 的一些接口
    ②SD总线接口
    ③命令数据处理模块

2.3 模块简述

  • sd_if模块：ahb slave接口模块，内含控制寄存器，供CPU访问，决定HOST的工作模式；
  • sd_clk模块：hclk分频电路，作为HOST模块时钟输入
  • sd_cmd_fsm模块：命令操作控制模块，控制sd_cmd_send_shift_register和 sd_cmd_receice_shift_register模块；
  • sd_cmd_send_shift_register模块：sd命令发送端 口；
  • sd_cmd_receive_shift_register模块：sd卡命令返回端口；
  • sd_data_fsm模块：数据操作控制模块，控制sd_data_send_shift_register和sd_data_receice_shift_register模块;
  • sd_data_send_shift_register模块：sd数据发送端；
  • sd_data_receive_shift_register模块：sd数据输入端口;
  • FIFO模块：数据缓存模块;
  • DMA模块：数据搬移模块；

3.总线接口

3.1 AHB总线信号

AHB总线具体的不多阐述了，已经写在ahb2sram的文章里面了，下面是具体的接口

  • AHB_Slave
    在这里插入图片描述
  • AHB_Master (DMA)
    在这里插入图片描述

3.2 SD总线

  • cmd_out、rsp_in、cmd_oe构成一个pad

在这里插入图片描述

4.SD_HOST寄存器介绍

4.1 CLK_EN_SPEED_UP_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x50
  • read/write：可读可写
    在这里插入图片描述

4.2 SOFTWARE_RESET_REGISTER_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x04
  • read/write：可读可写
    在这里插入图片描述

4.3 ARGUMENT_REGISTER_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x08
  • read/write：可读可写
    在这里插入图片描述
  • ARGUMENT就是下表的参数

在这里插入图片描述

4.4 COMMAND_REGISTER_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x0c
  • read/write：可读可写
    在这里插入图片描述

4.5 BLOCK_SIZE_REGISTER_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x10
  • read/write：可读可写在这里插入图片描述

4.6 BLOCK_COUNT_REGISTER_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x14
  • read/write：可读可写
    在这里插入图片描述

4.7 TRANSFER_MODE_REGISTER_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x18
  • read/write：可读可写
    在这里插入图片描述

4.8 RESPONSE0_REGISTER_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x1c
  • read/write：只读
    在这里插入图片描述

4.9 RESPONSE1_REGISTER_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x20
  • read/write：只读
    在这里插入图片描述

4.10 RESPONSE2_REGISTER_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x24
  • read/write：只读
    在这里插入图片描述

4.11 RESPONSE3_REGISTER_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x28
  • read/write：只读
    在这里插入图片描述

4.12 READ_TIMEOUT_CONTROL_REGISTER_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x2c
  • read/write：可读可写
    在这里插入图片描述

4.13 INTERRUPT_STATUS_REGISTER_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x30
  • read/write：只读
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

4.14 INTERRUPT_STATUS_MASK_REGISTER_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x34
  • read/write：可读可写
  • 对应上个寄存器表中的中断屏蔽位

4.15 INT_GEN_REG_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x48
  • read/write：可读可写
    在这里插入图片描述

4.16 CLR_INT_REG_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x4c
  • read/write：可读可写
    在这里插入图片描述

4.17 DMA_CTRL_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x44
  • read/write：可读可写
    在这里插入图片描述

4.18 DAM_ADDR_ADDR

  • size：32
  • addr offset：0x40
  • read/write：可读可写
    在这里插入图片描述

5.RTL代码

5.1 sd_if.v

  • 作用：

在这里插入图片描述
下面是主要的RTL设计

  • 寄存器配置
  • 地址写
  • 地址读
  • DMA

具体RTL设计代码：SOC_AHB_SD_IF

5.2 sd_clk.v

  • 由hclk分频出来的作为SD卡的时钟sd_clk
  • 可选择分频、可选择不分频
  • dft可控（testmode）

在这里插入图片描述
具体RTL设计代码：SOC_SD_CLK

5.3 待续

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