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基于FPGA技术实现SD模式设备接口的设计方案

2020-01-16 10:00 次阅读

SD存储接口定义了两种通信模式,SD模式和SPI模式。分析了SD传输协议后,给出了一种SD模式设备接口的设计方案。该设计能够自动解析主机发送的命令并响应,与Flash控制器相连后可以对Flash进行读写操作。为了解决数据存取的时序问题,使用了数据缓存技术。FPGA验证表明,该接口能够被电脑识别为SD卡,达到了设计目标。

1、引言

SD卡(Secure Digital Card)是“安全数码存储卡”的简称,于1999年8月由美国SanDisk公司、日本东芝松下公司共同开发研制成功。随着数码产品的广泛使用,目前SD卡已经成为消费数码产品设备中最广泛的一种存储卡。在手机中,大量的安全增值业务设计就是通过SD接口实现的。SD物理层规范定义了两种可选择的通信协议:SD模式和SPI模式。

本文在研究了SD物理层规范的基础上,实现SD设备接口SD模式的前端设计,并进行了FPGA原型验证。

2、SD存储卡接口SD模式介绍的书写规则

SD卡与控制器之间通过以下9线连接:时钟CLK、命令CMD、数据D0~D3、电源VDD和两根地线VSS。其总线拓扑结构如图1所示。命令和响应在CMD线上传输,数据在D0(标准总线模式)或D0~D3(宽总线模式)线上传输。

SD卡的所有命令都是6字节长度。一个命令总是以起始位(0)开始,后跟传输方向位(1),接下是6位命令索引,然后是32位命令参数,CRC7校验位,结束位(1)。SD的响应分为R1、R1b、R2、R3、R6、R7六种,其中R1、R1b、R3、R6、R7为6字节长度。R2为17字节长度,用于读取SD卡的CID/CSD寄存器内容。一个响应总是以起始位(0)开始,后跟一个传输方向位(0)。除了R3响应类型,所有的响应都有CRC保护。以一个结束位(1)结束。SD数据传输以块为单位,每个块总是由数据起始位(0)、数据位、CRC16校验位和数据结束位(1)组成。

基于FPGA技术实现SD模式设备接口的设计方案

图1 SD卡SD模式的总线拓扑结构

3、整体设计架构

本设计的一端为SD存储卡标准接口,与读卡器连接。为了使接口有通用性,另一端与Flash控制器连接,从而达到与不同型号Flash连接的目的。本设计是连接读卡器和Flash控制器的一个中间模块。能够对读卡器发送的命令进行解析并响应,通过Flash控制器对Flash进行读写操作。整体设计方案如图2所示。

基于FPGA技术实现SD模式设备接口的设计方案

图2 设计方案

4、 结构设计

根据SD接口功能,将其进行详细的划分,由以下几个部分组成:命令收发模块,数据收发模块,状态控制模块和校验模块。SD模块结构如图3所示。

4.1 命令收发模块

该模块的结构如图4所示。命令接收与响应发送都是在命令线CMD上传输的,所以该端口为一个三态门,由输出使能信号En控制是否输出。命令接收时,首先检测命令起始位,检测到起始位后计数器开始工作。当接收完一个完整命令,发出接收完成信号End,分别得到移位寄存器中对应的命令索引,命令参数,命令校验。命令接收过程中,同时将数据传给CRC7校验模块,用于生成校验数据。响应发送时,模块根据状态控制模块给出的响应类型产生对应的响应内容,当接收到发送使能信号Start后,给出发送使能信号En,并将响应的内容通过移位寄存器发送出去。响应内容发送完成后给出响应完成信号Rsp_over。

基于FPGA技术实现SD模式设备接口的设计方案

图3 模块结构

基于FPGA技术实现SD模式设备接口的设计方案

图4 命令接收与响应模块

4.2 数据收发模块

该模块的结构如图5所示。数据线也是双向的。Width信号指明当前数据传输模式为标准总线模式或宽总线模式。Size信号指示每个数据块包含的字节数。该模块包含两个数据缓冲,接收缓冲RxFIFO和发送缓冲TrFIFO,数据缓冲位宽16比特,深度为256,这是因为数据块最大为512字节。数据接收状态时,首先检测数据起始位,检测到起始位后计数器开始工作。接收Size个字节的数据后,接收CRC16校验位,最后完成数据块接收,发出接收完成信号End。数据接收过程中,每接收16位数据给出写入信号Wr,将数据写入RxFIFO。如果RxFIFO满,给出Busy信号,主机进入数据发送等待。数据发送状态时,接收控制器收到Start信号后,开始发出Rd信号读取TrFIFO数据,并将数据传给移位寄存器,使能数据输出控制信号Out_en,移位寄存器根据数据传输模式将数据输出。

基于FPGA技术实现SD模式设备接口的设计方案

图5 数据收发模块

4.3 状态控制模块

根据接收模块传送的命令编号产生与之对应的命令响应类型,进一步解析接收模块传送的命令参数。工作过程共有9个状态,状态间的转移关系如图6所示。接收到CMD0命令后都会从其它状态进入到空闲状态。

基于FPGA技术实现SD模式设备接口的设计方案

图6 状态转移

4.4 校验模块

CRC7负责校验命令收发模块中的命令和响应;CRC16负责校验数据收发模块中的数据。

5、 验证与测试

开发测试平台使用的是Altera的CycloneII系列FPGA开发板。开发板上有一个SD接口。测试平台的实物如图7所示。开发板可以通过一个PCB板SD接口与电脑SD接口连接,利用电脑对设计进行验证。

基于FPGA技术实现SD模式设备接口的设计方案

图7 测试平台

在硬件调试过程中,采用内嵌式逻辑分析仪(SignalTapII)来采集相应的数据波形。图8是采集到的识别SD卡命令与响应波形图。从图中可以看出,该设计可以正确响应主机命令,完成识别过程。

图9中虚线所圈是将设计下载到FPGA开发板,与电脑相连接后被识别为SD存储卡标记,可以看出该设计可以被电脑正确识别。

6、结束语

本文实现了一种SD存储卡接口SD模式IP核的设计与实现。该设计能够对主机命令进行自动解析和回复,与Flash控制器连接后可以直接对Flash进行读写操作。对该设计进行FPGA功能验证,能够被电脑识别为SD接口,从而说明的设计的正确性和实用性。利用SYNOPSYS公司的EDA工具对该模块进行综合,并进行时序和面积的优化,在SMIC0。18μm工艺下最大工作频率为100MHz,整个设计综合后为0.6万门。

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图8 通信过程

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图9 电脑识别

责任编辑:gt

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NCP6151 VR12 2相 3相 4相CPU控制器+ 1相GPU控制器

NCP6131 IMVP7 1,2,3相CPU控制器+单相GPU控制器

1S / NCP6151SA / NCP6131S / NCP6131SA双输出四加一相降压解决方案针对Intel VR12兼容CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)与DCR电流检测相结合,可提供对动态负载事件的最快初始响应并降低系统成本。在轻负载运行期间它也会脱落到单相,并且可以在轻负载时自动进行频率调整,同时保持良好的瞬态性能。 特性 符合英特尔VR12 / IMVP7规范 电流模式双边沿调制,用于瞬态加载的最快初始响应 双高性能操作误差放大器 两个轨道的一个数字软启动斜坡 应用 台式机和笔记本电脑处理器 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 18:02 84次 阅读
NCP6131 IMVP7 1,2,3相CPU控制器+单相GPU控制器

NCP81148 具有自动省电模式和内置LDO的同步降压控制器

48是一款双同步降压控制器,经过优化,可将电池电压或适配器电压转换为台式机和笔记本电脑系统所需的多个电源轨。 NCP81148由两个降压开关控制器组成,通道2上固定5.0 V输出,通道1上为3.3 V,两个板载LDO具有三个输出:5 V / 60 mA和3.3 V或12 V / 10 mA。 NCP81148支持高效率,快速瞬态响应并提供电力商品信号。安森美半导体专有的自适应纹波可控制器从CCM到DCM的无缝过渡,其中转换器运行时降低了开关频率,在轻载时具有更高的效率。该器件的工作电源电压范围为5.5 V至28 V. 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 18:02 51次 阅读
NCP81148 具有自动省电模式和内置LDO的同步降压控制器

NCP81140 具有SVID接口的多相控制器

40多相降压解决方案针对Intel VR12.5兼容CPU进行了优化,用户配置为4/3/2/1阶段。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。该控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)与DCR电流检测相结合,以降低的系统成本提供对动态负载事件的最快初始响应。它具有在轻负载运行期间脱落到单相的能力,并且可以在轻负载条件下自动进行频率调整,同时保持出色的瞬态性能。 应用 终端产品 基于工业CPU的应用程序 信息娱乐,移动,自动化,医疗和安全 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 18:02 88次 阅读
NCP81140 具有SVID接口的多相控制器

NCP81142 VR多相控制器

42多相降压解决方案针对具有用户可配置4/3/2/1相位的Intel VR12.5兼容CPU进行了优化。该控制器结合了真正的差分电压检测,差分电感DCR电流检测,输入电压前馈和自适应电压定位,为台式机和笔记本电脑应用提供精确调节的电源。该控制系统基于双边沿脉冲宽度调制(PWM)与DCR电流检测相结合,以降低的系统成本提供对动态负载事件的最快初始响应。它具有在轻负载运行期间脱落到单相的能力,并且可以在轻负载条件下自动调频,同时保持优异的瞬态性能。提供高性能操作误差放大器以简化系统的补偿。获得专利的动态参考注入无需在闭环瞬态响应和动态VID性能之间进行折衷,从而进一步简化了环路补偿。获得专利的总电流求和提供高精度的数字电流监控。 应用 终端产品 基于工业CPU的应用程序 信息娱乐,移动,自动化,医疗和安全 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 18:02 66次 阅读
NCP81142 VR多相控制器

NCP4200 具有I2C接口的多相同步降压转换器

0是一款集成电源控制IC,具有I 2 C接口。它结合了高效,多相,同步降压开关稳压控制器和I 2 C接口,可实现关键系统参数的数字编程。 特性 优势 I 2 C 启用关键系统参数的数字化编程 快速增强型PWM弹性模式架构 出色的负载瞬态性能 应用 终端产品 CPU Vcor​​e 游戏,桌面,服务器 电路图、引脚图和封装图
发表于 07-29 18:02 70次 阅读
NCP4200 具有I2C接口的多相同步降压转换器

NCP4208 同步降压转换器 8相 VR11.1可编程 带I2C接口

8是一款集成电源控制IC,具有I 2 C接口。 NCP4208是一款高效,多相,同步降压开关稳压控制器,可帮助设计高效率和高密度解决方案。 NCP4208可编程为1,2,3,4,5,6,7或8相操作,允许构建多达8个互补降压开关级。 特性 优势 快速增强PWM 出色的负载转换性能 应用 终端产品 CPU Vcor​​e 台式电脑,服务器 电路图、引脚图和封装图
发表于 07-29 17:02 47次 阅读
NCP4208 同步降压转换器 8相 VR11.1可编程 带I2C接口

NCP1589L 同步降压控制器 低电压 轻负载效率和瞬态增强

9L是一款低成本PWM控制器,采用5 V或12 V电源供电。该器件能够产生低至0.8 V的输出电压,转换电压低至2.5 V.它易于操作,并提供最佳的集成度,以减小电源的尺寸和成本。它在斜坡脉冲调制模式下工作,可实现出色的负载阶跃和释放响应。除快速瞬态响应外,它还包括1.5 A栅极驱动器设计和轻载效率功能,如自适应非重叠电路和二极管仿真。它通常在连续电流导通模式下工作在200~500 kHz范围内,在轻负载时随电流减小,以进一步节省功耗。保护功能包括可编程过流保护,输出过压和欠压保护以及输入欠压锁定。 特性 VCC范围4.5 V至13.2 V 可调节工作频率升压引脚工作电压为35 V 斜坡脉冲调制控制精密0.8 V内部基准电压可调输出电压内部1.5 A栅极驱动器输入欠压锁定可编程电流限制轻载中的自适应二极管模式仿真这是一个无铅设备 应用 图形卡台式电脑服务器/网络 DSP& FPGA电源 DCDC稳压器模块 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 94次 阅读
NCP1589L 同步降压控制器 低电压 轻负载效率和瞬态增强

NCP81111 具有SVID和I2C接口的3相VR12.5-6高速数字控制器

11是一款高性能数字单输出三相VR12.5-6兼容降压解决方案,针对英特尔CPU应用进行了优化,可在高达5 MHz的频率下工作。 NCP81111还可用作通用I2C控制多相电压调节器。 NCP81111设计用于支持NCP81163数字相位倍频器IC,可将器件的功能扩展到6相,实现高电流处理。控制器包括真差分电压检测,差分电流检测,数字输入电压前馈,DAC前馈和自适应电压定位。 特性 会见英特尔® s VR12.5规格 用户配置的板载EEPROM 高性能数字架构 动态参考注入 全差动电压电流检测放大器 电流平衡的“无损耗”DCR电流检测 用于下垂的热补偿电感器电流感应 用户可调整的内部补偿 应用 终端产品 用于英特尔处理器的多相电压调节器 通用I2C控制多相调节器 台式电脑 笔记本电脑 服务器 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 110次 阅读
NCP81111 具有SVID和I2C接口的3相VR12.5-6高速数字控制器

NCP1589D 同步降压控制器

9D是一款低成本PWM控制器,采用5 V或12 V电源供电。该器件能够产生低至0.8 V的输出电压,转换电压低至2.5 V.它易于操作,并提供最佳的集成度,以减小电源的尺寸和成本。它在斜坡脉冲调制模式下工作,可实现出色的负载阶跃和释放响应。除快速瞬态响应外,它还包括1.5 A栅极驱动器设计和轻载效率功能,如自适应非重叠电路和二极管仿真。它通常在连续电流导通模式下工作在200~500 kHz范围内,在轻负载时随电流减小,以进一步节省功耗。保护功能包括可编程过流保护,输出过压和欠压保护以及输入欠压锁定。 特性 VCC范围4.5 V至13.2 V 可调节工作频率升压引脚工作电压为35 V 斜坡脉冲调制控制精密0.8 V内部基准电压可调节输出电压内部1.5 A栅极驱动器 80%最大占空比可编程电流限制轻载中的自适应二极管模式仿真这是一个无铅设备 应用 图形卡台式电脑服务器/网络 DSP& ; FPGA电源 DCDC稳压器模块 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 93次 阅读
NCP1589D 同步降压控制器

NCP1579 低电压同步降压控制器

9是一款低成本PWM控制器,采用5V或12V电源供电。这些器件能够产生低至0.8V的输出电压。这些8引脚器件提供最佳集成度,以减小电源的尺寸和成本。 NCP1579提供1A栅极驱动器设计和内部设置的275kHz振荡器。栅极驱动器的其他效率增强特征包括自适应非重叠电路。 NCP1579还集成了外部补偿误差放大器和电容可编程软启动功能。保护功能包括可编程短路保护和欠压锁定。 特性 优势 输入电压范围4.5至13.2V 多功能性 电压模式PWM控制 易用性 0.8V +/- 2.0%内部参考电压 增强绩效 可调输出电压 多功能性 电容可编程软启动 易用性 内部1A门驱动器 增强性能 可编程电流限制 易用性 应用 终端产品 STB Blue-Ray DVD 液晶电视 DSP和FPGA电源 DC-DC稳压器模块 STB 蓝光DVD 液晶电视 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 93次 阅读
NCP1579 低电压同步降压控制器

NCP1589A 低电压同步降压控制器

1589A或NCP1589B是一款低成本PWM控制器,设计采用5V或12V电源供电。该器件能够产生低至0.8V的输出电压。该器件能够将电压转换为低至2.5V。该10引脚器件提供最佳集成度,以减小电源的尺寸和成本。 特性 VCC范围从4.5到13.2V 升压引脚工作电压高达30V 电压模式PWM控制 精密0.8V内部参考 内部1.5A栅极驱动器 输入欠压锁定 可编程电流限制 应用 终端产品 图形卡 服务器/网络 图形卡 电路图、引脚图和封装图...
发表于 07-29 17:02 83次 阅读
NCP1589A 低电压同步降压控制器

NCP5269 具有2位VID的系统代理控制器

9 电路图、引脚图和封装图
发表于 07-29 17:02 81次 阅读
NCP5269 具有2位VID的系统代理控制器

NCP3012 同步PWM控制器

2是一款PWM器件,设计用于宽输入范围,能够产生低至0.8V的输出电压。 NCP3012提供集成栅极驱动器和内部设置的75kHz振荡器,能够与外部频率同步。 NCP3012具有外部补偿跨导误差放大器,内部固定软启动。 NCP3012将输出电压监控与电源良好引脚相结合,以指示系统处于稳压状态。双功能SYNC引脚使器件与更高频率(从模式)同步,或输出180度异相时钟信号以驱动另一个NCP3012(主模式)。保护功能包括无损耗电流限制和短路保护,输出过压和欠压保护以及输入欠压锁定。 NCP3012采用14引脚TSSOP封装。非常适合需要电源干扰最小的噪声敏感应用。 (医疗,网络等) 特性 优势 输入电压范围为4.7 V至28 V 能够运行各种输入电压 75 kHz操作 效率高 0.8 V +/- 1%参考电压 准确的系统调节 缓冲外部+1.25 V参考 附加调节1 mA输出以供额外使用 电流限制和短路保护 系统级保护 PowerGood输出引脚 电源排序功能 启用/禁用引脚 电源排序功能 输入和输出电压保护 增强的系统级保护 外部同步 能够同步到更高频率或180°异相 应用...
发表于 07-29 17:02 83次 阅读
NCP3012 同步PWM控制器

NCP1581 用于跟踪应用的同步降压控制器 高频PWM

1同步降压控制器IC旨在为14引脚SOIC中的板载DC-DC应用提供简单的同步降压稳压器。 NCP1581专为跟踪应用而设计,提供轨道输入。 NCP1581采用固定内部400 kHz开关频率工作,允许使用小型外部元件。该器件具有由外部电容设置的可编程软启动,欠压锁定和输出欠压检测,可在检测到输出短路时锁定器件。电路图、引脚图和封装图
发表于 07-29 16:02 102次 阅读
NCP1581 用于跟踪应用的同步降压控制器 高频PWM

AR1335 CMOS图像传感器 13 MP 1/3

是一款1 / 3.2英寸CMOS有源像素数字图像传感器,像素阵列为4208H x 3120V。 AR1335数字图像传感器采用突破性的1.1μm像素技术,通过领先的灵敏度,量子效率和线性全阱提供卓越的低光图像质量。这使得图像质量可以与数码相机相媲美。 AR1335采用专注于低功耗的传感器架构和低Z高度的高射线角度(CRA),是智能手机和其他移动设备应用的理想选择。它集成了复杂的片上相机功能,如窗口,镜像,列和行跳过模式以及快照模式。它可通过简单的双线串行接口进行编程。 AR1335传感器可以高达每秒30帧(fps)的速度生成全分辨率图像,并支持高级视频模式,包括4K 30fps,1080P 60fps和720P 120fps。 特性 13MP CMOS传感器,采用先进的1.1μm像素BSI技术 数据接口:2,3和4通道MIPI 可用于MIPI的比特深度压缩:10-8和10-6以降低带宽 启用立体视频捕获的3D同步控制 6.8 kbits一次性可编程存储器(OTPM) 可编程控制器:增益,水平和垂直消隐,自动黑电平偏移校正,帧大小/速率,曝光,左右和上下图像反转,窗口大小和平移 两个片上锁相环路(PLL)振荡器,具有超低噪声性能 片上...
发表于 07-29 16:02 121次 阅读
AR1335 CMOS图像传感器 13 MP 1/3

NCP3011 同步PWM控制器

1是一款同步降压控制器,设计用于宽输入范围,能够产生低至0.8 V的输出电压.NCP3011提供1.0 A栅极驱动器和内部设置的400 kHz振荡器。 NCP3011具有外部补偿跨导误差放大器,内置固定软启动。 NCP3011将输出电压监控与PowerGood引脚相结合,以指示系统处于稳压状态。双功能SYNC引脚使器件与更高频率(从模式)同步,或输出180°异相时钟信号以驱动另一个NCP3011(主模式)。保护功能包括无损耗电流限制和短路保护,输出过压和欠压保护以及输入欠压锁定。 NCP3011采用14引脚TSSOP封装。 特性 优势 输入电压范围为4.7 V至28 V 能够运行各种输入电压 400 kHz运行 效率高,体积小 0.8 V +/- 1%参考电压 准确的系统调节 缓冲外部+1.25 V参考 附加1 mA输出 电流限制和短路保护 系统级保护 PowerGood输出引脚 电源排序功能 启用/禁用引脚 电源排序功能 输入和输出电压保护 增强系统级保护 外部同步 能够同步到更高频率或180°异相 符合AEC-Q100和PPAP(NCV3011) 适用于汽车应用 应用 终端产...
发表于 07-29 16:02 80次 阅读
NCP3011 同步PWM控制器