（电路与系统专业论文）基于fpga的sd卡控制器的设计与实现.pdf

一 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名： 名之囤 日期：趁：兰：苎 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务o ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：名询 导师( 签名) ：3 ：气日期矽一，上三 ! l ， i 3 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着存储行业的快速普及和发展，s d 卡的运用日益广泛。在畅销的u 盘控 制芯片之后，s d 存储卡控制芯片领域在市场中占更大份额。与传统的u 盘读卡 器相比，本文设计实现的s d 卡控制器具备了传输速度更快，运用范围更广的优 势。该s d 卡控制器以s d 3 0 新标准为指导，除支持普通s d 卡外，特别支持高 速s d x c 卡，使得s d 卡控制器可以运用在高速领域。同时，本控制器经后端 i c 部门研发可以整合成s d 卡控制芯片，运用于笔记本电脑中。 s d 3 0 标准与原来相比，增加了u h s i 模式和d m a 模式，可以支持s d x c 卡。通过设计使得s d 卡在工作频率及性能上有较大提高。本文在介绍了国内外 研究情况和s d 卡规范后，从s d 卡控制器总体结构入手，简要介绍了s d 3 0 新 标准下各模块功能。根据改进内容，主要设计了时钟模块，t u n i n g 模块和d m a 模块三个模块，并作了功能仿真、逻辑综合，同时对整体进行f p g a 验证。 在时钟模块中主要利用f p g a 特有资源d c m ，可动态提供2 5 m h z 1 6 0 m h z 不同的工作频率。利用其优势，不仅为s d 卡控制器提供了稳定的时钟同时还提 供了灵活的频率配置。为了使s d 卡工作在高频时能满足时序要求和正确采样到 数据，通过在t u n i n g 模块提出最佳采样时钟选择算法，合理设计状态机，对时 钟相位进行调整，得到s d 卡工作在高频时的最佳采样时钟。该模块通过功能仿 真及f p g a 逻辑综合，达到设计要求，也保证了数据传输的可靠性。d m a 模块 打破了s d 卡与p c 机进行通信的传统传送方式，不通过c p u 的处理，直接在外 设及内存中进行通信。在逻辑设计中，重点设计双口r a m 及r a m 控制部分， 把读写过程细化，完成s d 卡在d m a 模式下的传输。最后对整体s d 卡控制器 进行f p g a 验证。先从电源、配置、下载的角度介绍了开发板的设计，然后根 据验证场景对其进行验证，特别对s d x c 卡在高速模式下进行了读写速率及工 作频率的测试，也与普通s d 卡和u 盘读卡器进行了性能对比，得出验证结果。 通过几个月的研究设计，最终设计实现了一种实用广泛，在高频下工作稳 定的s d 卡控制器。本控制器特别实现了s d x c 卡在高频时的工作情况。将原来 普通s d 卡工作频率为2 5 m h z 或者5 0 m h z ，读写速度不超过2 5 m b s ，1 5 m b s ， 提高到工作频率为1 6 0 m h z ，读写速度约为6 0 m b s ，3 5 m b s 。 关键词：f p g a ，s d 卡，时钟，采样，传输 h 嘧 卜1 童 7 镰 w i t ht h er a p i ds p r e a da n dd e v e l o p m e n ti ns t o r a g ei n d u s t r y , s dc a r di sw i d e l y a p p l i e di nm a n yf i e l d s a f t e rt h eb e s t - s e l l i n gc o n t r o l l e rc h i p so fu - d i s k ，t h ec o n t r o l l e r c h i p so fs dm e m o r yc a r d sa c c o u n tf o rg r e a t e rp r o p o r t i o ni nt h em a r k e t c o m p a r e d w i t ht h et r a d i t i o n a lu - d i s kr e a d e r , t h ec o n t r o l l e ro fs dc a r dh a sm a n ya d v a n t a g e s ， s u c ha st h ef a s t e rt r a n s f e rs p e e d ，t h ew i d e rr a n g eo fa p p l i c a t i o n t h ec o n t r o l l e ro fs d c a r di nt h i sp a p e rb a s e do nn e wc r i t e r i ao fs d 3 0 i na d d i t i o nt os u p p o r t i n gt h e u n i v e r s a ls dc a r di nt h em a r k e t ，i ta l s os u p p o r t sh i g h - s p e e ds d x cc a r d s ot h es d c a r dc o n t r o l l e rc a nb ea p p l i e di nt h eh i g h - s p e e da r e a t h ec o n t r o l l e ri nt h i sp a p e rc a n b ei n t e g r a t e di n t ot h ec h i po fs dc o n t r o l l e rb yt h eb a c k - e n do f i cs e c t o r , a n dt h e nb e u s e di nt h ec o m p u t e r so fn o t e b o o k c o m p a r e d 、v i t l lt h eo r i g i n a ls t a n d a r d ，i ns d 3 0s t a n d a r d ，u h s im o d ea n dd m a m o d ea r ei n c r e a s e d b yi m p r o v e m e n t ，i ts u p p o r t sh i g h - s p e e ds dc a r d s - s d x c c a r d t h e r e f o r e ，o p e r a t i n g 丘e q u e n c ya n dp e r f o r m a n c e a r e i m p r o v e dg r e a t l y d o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c ha n dt h es dc r i t e r i aa r ef i r s t l yd e s c r i b e di nt h i sp a p e r , a n dt h e nf r o mt h ep o i n to fo v e r a l ls t r u c t u r ea b o u ts dc o n t r o l l e r , f u n c t i o no fa l l m o d u l e sb a s e do nn e ws t a n d a r d ss d 3 0i si n t r o d u c e db r i e f l y a c c o r d i n gt ot h e c o n t e n t so fn e wi m p r o v e m e n t ，t h ec l o c km o d u l e ，t u n i n gm o d u l ea n dd m am o d u l e a r em a i n l yd e s i g n e d ，w h i c ha r es i m u l a t e d ，s y n t h e t i c a l l ya n dv e r i f i e dt h r o u g hf p g a i nc l o c km o d u l e ，t h em a i na d v a n t a g ei st h es p e c i f i cr e s o u r c e so ff p g a 一d c m i tc a nd y n a m i c a l l ys u p p l y2 5 m h z 1 6 0 m h z 仔e q u e n c y f o rt h es dc a r d ，b e c a u s em a k e f u l lu s eo fi t sa d v a n t a g e s ，i tn o to n l ys u p p l i e sas t a b l ec l o c k ，b u ta l s oc a nc o n f i g u r e t h ed i f f e r e n tr a n g e so f 仔e q u e n c y t no r d e rt om e e tt i m i n gr e q u i r e m e n t sa n dt os a m p l e t h ed a t ap r o p e r l y , b yp r e s e n t i n gt h ea l g o r i t h mo fb e s ts a m p l i n gc l o c ks e l e c t i o n ， d e s i g n i n gt h es t a t em a c h i n er a t i o n a l l y , a d j u s t i n gt h ep h a s eo fc l o c k ，t h eb e s ts a m p l i n g c l o c ki ss e l e c t e di nt u n i n gm o d u l e i nt h i sm o d u l e ，i tm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s b ya d o p t i o no ff p g al o g i cs y n t h e s i sa n ds i m u l a t i o n m e a n w h i l e ，e n s u r et h e r e l i a b i l i t yo fd a t at r a n s m i s s i o n d m am o d u l em a k e sab r e a k t h r o u g hi na r e ao f t r a d i t i o n a lt r a n s m i s s i o nm o d e sb e t w e e ns dc a r da n dp c ，w h i c hd o e sn o tt h r o u g ht h e p r o c e s s i n go fc p u ，c o m m u n i c a t i n gb e t w e e nt h ep e r i p h e r a la n dm e m o r yd i r e c t l y i n i l ， q n i 毒 1 l 武汉理工大学硕士学位论文 t h i sm o d u l e ，i tf o c u s e so nd e s i g no fd u a l p o r tr a ma n dt h ec o n t r o lo fr a m ，m a k i n g ar e f i n e m e n to nt h ep r o c e s so fr e a d i n ga n dw r i t i n g ，a n dt h e nc o m p l e t i n gt h e t r a n s m i s s i o no fs dc a r di nd m am o d ef i n a l l y a tl a s t ，t h eo v e r a l lc o n t r o l l e ro fs d c a r dp a s s e sv e r i f i c a t i o no ff p g a a f t e rt h ed e s i g no ft h ed e v e l o p m e n tb o a r df r o mt h e p o w e rs u p p l y , c o n f i g u r a t i o na n dd o w n l o a di si n t r o d u c e d ，v a l i d a t i o nc a nb ef i n i s h e d b yt h es c e n e t 1 1 i sp a p e rf o c u s e so nt e s t i n gt h es p e e do fr e a da n dw r i t e ，p a r t i c u l a r l y a b o u tt h ef r e q u e n c ya n dp e r f o r m a n c ei nh i g h - s p e e dm o d ef o rs d x cc a r d s ， m e a n w h i l e ，m a k e sc o m p a r e 晰t ht h eu - d i s kr e a d e ra n du n i v e r s a ls dc a r do nr a t e a t l a s t ，t h er e s u l t sa l eo b t a i n e d t h r o u g hm o n t h so fr e s e a r c ha n dd e s i g n ，f i n a l l yaw i d eu s eo fc o n t r o l l e rw h i c h w o r k si nt h eh i g l lf r e q u e n c ys t a b i l i t yh a sb e e nd e s i g n e d t h i sc o n t r o l l e ri m p l e m e n t s w o r ko fs d x cc a r d o r i g i n a lc o n t r o l l e ro n l yw o r k sa tt h ef r e q u e n c yo f2 5 m h zo r 5 0 m h z ，t h es p e e do fr e a da n dw r i t ei so n l y2 5 m b s ，1 5 m b s ，b u tn o w , t h ef r e q u e n c y o fs dc a r di sr a i s e da t16 0 m h z ，a n dt h es p e e do fr e a da n dw r i t ei sa b o u t6 0 m b s ，3 5 m b s k e y w o r d ：f p g a ，s dc a r d ，c l o c k ，s a m p l e ，t r a n s m i s s i o n i i i 噜 r 气 垒 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 论文研究背景1 1 2 论文研究的目的和意义1 1 3 国内外研究情况2 1 4 论文结构3 第2 章s d 存储卡及控制器相关规范5 2 1s d 存储卡的介绍和规范5 2 2s d 控制器的规范6 2 3s d 控制器的规格7 第3 章s d 卡控制器结构8 3 1 总体结构8 3 2p c ie x p r e s s 总线及s d 总线9 3 2 1p c ie x p r e s s 总线。9 3 2 2s d 总线9 3 3 控制器各模块功能说明9 3 3 1s di o 接口模块9 3 3 2s d 控制模块1 l 3 3 3s d 时钟模块。1 2 3 3 4s db u f f e r 控制模块1 3 3 3 5t u n i n g 模块1 3 3 3 6d m a 接口模块1 4 第4 章重点模块的设计1 5 4 1 时钟模块15 4 1 1 采用d c m 的目的1 5 4 1 2 时钟管理模块d c m 原理15 4 1 3d c m 配置1 6 4 1 4 寄存器设置1 8 4 1 5 逻辑控制d c m 18 h i 1 j 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 64 分频设计2 0 4 2t u n i n g 模块2 1 4 2 1t u n i n g 的目的2 1 4 2 2t u n i n g 原理2 1 4 2 3t u n i n g 流程2 2 4 2 4 硬件逻辑设计2 3 4 2 5 逻辑综合结果及分析。2 8 4 3d m a 模块3 0 4 3 1d m a 的目的3 0 4 3 2d m a 的原理3 1 4 3 3 两个重要寄存器的配置3 1 4 3 4d m a 控制结构3 3 4 3 5 双口r a m 的设计3 4 4 3 6b u f f e rr a m 控制3 6 第5 章s d 控制器f p g a 验证结果。4 0 5 1f p g a 验证环境介绍4 0 5 1 1 电源4 1 5 1 2 配置4 l 5 1 3 下载。4l 5 2 验证场景4 2 5 3s d x c 卡的验证4 3 5 4 速度比较4 5 第6 章总结及展望4 6 致 谢4 8 参考文献4 9 攻读硕士学位期间发表的学术论文5 1 ， 、 1 | f 这 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 论文研究背景 第1 章绪论 s d 卡( s e c u r ed i g i t a lm e m o r yc a r d ) 中文翻译为安全数码卡，是一种基于 半导体快闪记忆器的新一代，一种使用广泛的移动存储介质。其主要用于数码 相机、手持式p c 、游戏机、打印机、摄像机，以及其它消费型电子产品。在所 有存储卡中占有率最高，而且也是增长最快的一种卡片【l 】。 由于目前便携式多媒体电子产品朝小型化、低功耗和高配置发展已是必然 趋势，随着无晶圆( f a b l e s ) 设计公司的兴起和系统厂家对客制化产品要求的提高， 市场将更倾向于使用芯片来控制各种接口设备( 例如s d 卡，m m c 卡等) 【2 ，3 1 。 1 2 论文研究的目的和意义 随着便携式多媒体电子产品的普及和发展，随着人们对便携式产品应用要 求的提高，例如对音频，视频内容的海量存储，使得生产厂家所设计出的电子 产品必须具有丰富的接口以连接各种移动、便携的存储设备 4 1 。特别是各类笔记 本中的扩展接口不断发展，使得笔记本功能更强大。与传统台式机相比，笔记 本除了有传统的u s b 接口外，还多了不少存储卡的接口，如s d ，m s ，m m c 卡等。为了控制这些卡与主机通信，就少不了各类i o 控制芯片。当前笔记本电 脑主板中主要使用p c ie x p r e s s 总线，它是新一代的总线接口，比起p c i 以及更 早期的计算机总线的共享并行架构，每个设备都有自己的专用连接，不需要向 总线请求带宽，而且可以提高数据传输率，达到p c i 所不能提供的高带宽p 6 l 。 本文主要研究基于p c ie x p r e s s 总线s d 卡的控制，设计了一种支持不同容量， 不同频率且读写性能较好的s d 卡控制器，经过后期i c 部门的研发，可以整合 成芯片，用于笔记本电脑中。 随着芯片性能越来越高，规模越来越大，设计复杂度迅速增加；同时，市 场对产品设计周期的要求越来越高，因此造成了设计复杂度和设计产能之间的 巨大鸿沟，由此导致开发周期越来越长，设计质量利用率越来越难于控制，芯 片设计成本越来越趋于昂到m 】。所以，本文基于f p g a 进行设计，其意义在于： i ， 武汉理工大学硕士学位论文 f p g a 有着灵活性强，开发周期短，并行处理速度快，可靠性高等优点。除此以 外，因为f p g a 是可编程逻辑器件，用户可对f p g a 进行重新配置，以实现用 户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态系统重构的特性，使得硬件的功能 可以像软件一样通过编程来修改，成为专用集成电路( a s i c ) 领域中的一种半 定制电路，f p g a 既克服了定制电路的不足，又解决了原有可编程器件门电路数 有限的缺点，可以毫不夸张的讲，f p g a 能实现任何数字器件的功能，上至高性 能c p u ，下至简单的7 4 电路【1 0 j 。 目前一些s d 卡控制器，例如各类u s b 接口的读卡器，对于s d s c ( s d s t a n d a r dc a p a c i t y ) 1 g b ，2 g b 卡的读写速度一般为1 0 m b s ，7 m b s is d h c ( s d h i g hc a p a c i t y ) 4 g b 以上的卡读写速度一般为2 0 m b s ，1 5 m b s ，并且不支持d m a 传输，不支持多时钟频率，不支持s d 3 0 中关于u h i s 的几种模式。而且因为 u s b 接口的传输速度本身受到很大限制，导致s d 卡的读写速度不可能提高很 多。另外，有些设计是基于单片机实现，用单片机实现的弊端：1 因为其本身提 供的时钟频率不够，不可能设计高频率的控制器。2 s d 对外实现2 种模式的访 问，一种为s p i 模式，一种为s d 模式【1 1 】。单片机采用的s p i 模式显然没有4 线 并行传输的s d 模式快，所以在速度上受到了限制。 所以本文设计一种可在f p g a 上实现的s d 卡控制器，可以方便移植代码， 生成逻辑网表，供后端继续研发使用。同时利用f p g a 进行验证也节省了开发 周期，提高了设计的可靠性。 1 3 国内外研究情况 前几年，尽管中国已成为全球移动存储制造业重要基地，但国内厂商主要 依赖海外公司提供的主控芯片和芯片设计方案，进行组装式加工和生产，手中 并没真正掌握核心技术；这几年，随着芯邦自主研发的u 盘和s d 卡控制芯片 的成功推出，海外厂商对移动存储芯片的垄断已被打破【1 2 1 。 一批先发企业抓住移动存储行业快速普及的商机，近年来成功实现了跨越 式发展，其中引人注目的包括：拥有全球闪存技术基础专利的朗科，目前已迅 速成长为国内外最具竞争力的u 盘龙头厂商i 以芯邦微电子为代表的深圳芯片 设计公司，也通过自主研发，成功进军移动存储控制芯片这一更为庞大的“上游” 市场，成为引领移动存储行业的“黑马”，芯邦微电子总裁张华龙透露，在掌握了 u 盘控制芯片核心专利技术基础上，芯邦已进入了具有更大市场的s d m m c 2 武汉理工大学硕士学位论文 存储卡控制芯片领域，并在成功研发、推出了国内第一款自主知识产权的s d m m c 存储卡1 1 3 l 。 国外，s d 卡3 大巨头新帝( s a n d i s k ) 、松下( p a n a s o n i e ) 、东芝( t o s h i b a ) 是目前主流s d 卡规格创始者，过去都坚持采取自制n a n df l a s h 控制芯片，但 近年来随着快闪记忆卡产品趋于成熟，台、美系模块厂大举入侵，成本压力排 山倒海而来，使得3 大巨头采购策略开始松动【l 引。继东芝将n a n df l a s h 控制芯 片采购权释放给群联，p a n a s o n i c 亦首度采用台厂s d 卡控制芯片，订单花落擎 泰，目前s d 卡3 大巨头仅剩下新帝仍坚守采用自制控制芯片策略。 内存业者指出，过去在s d 卡领域由这3 家业者掌控市场和规格，每次推出 新的技术规格，都是等到自己的控制芯片技术成熟后，才把规格释出给其它业 者，导致其它记忆卡厂和控制芯片业者要推出同等级产品，总是要晚上3 6 个 月，但这种情况随着台、美系内存模块厂大举入侵记忆卡市场后已逐渐改善， 加上台厂技术支持能力越来越强，促使东芝、p a n a s o n i c 纷弃守s d 卡控制芯片【1 5 】。 凹凸电子在笔记本电脑i o 控制芯片领域也占有相当的份额，在d e l l 、东芝、 富士通等中、高端品牌电脑中相当容易找到来自0 2 m i c r o 的读卡器、p c m c i a 控 制器、1 3 9 4 控制器等芯片的身影。特别地，凹凸电子研发了s d 3 0 新标准下有 关s d x c 卡的控制，使得s d 卡的读写速率得到提升，同时也支持多种s d 卡。 1 4 论文结构 本论文主要根据s d 3 0 新标准，基于f p g a 对s d 卡控制器进行了设计和实 现。论文正文分为六个章节，每章内容安排如下： 第l 章：绪论。主要介绍了s d 卡的含义，论文研究背景，国内外发展情况， 研究的目的及意义。 第2 章：s d 存储卡的相关规范。主要介绍s d 3 0 新标准下s d 存储卡物理 层规范及s d 控制器规范，然后说明了本控制器的规格。 第3 章：s d 卡控制器结构。首先介绍了s d 卡控制器总体结构，然后重点 介绍s d 控制器中i o 接口模块、数据命令控制模块、时钟模块、b u f f e r 控制模 块、t u n i n g 模块，d m a 接c 1 模块的具体功能。 第4 章：重点模块的设计。本章重点设计了上章节中的三个模块，分别为 时钟模块，t u n i n g 模块和b u f f e r 控制模块中的d m a 模块。各模块从设计目的， 设计原理，设计过程，设计结果详细阐述了f p g a 的实现过程。 夺 一 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章：s d 控制器f p g a 验证结果。首先介绍f p g a 验证环境，从电源， 配置以及下载三个方面阐述了开发板的设计理念。然后罗列出f p g a 验证的几 种场景。特别验证了s d x c 卡( 高速s d 卡) 的高速模式，最后与普通u s b 控 制器的传输速度进行了比较。 第6 章：总结与展望。总结论文内容、个人工作及未来需要继续开发实现 的新内容。 4 、 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章s d 存储卡及控制器相关规范 s d 储存卡是由日本的松下、东芝和美国的s a n d i s k 公司所组成的s d 协会 ( s dg r o u p ) 联合制定规范和开发的，1 9 9 8 年首次发布s d l 0 。本文主要研究 的基于s d 3 0 规范的控制器。该规范是2 0 0 9 年4 月首次发布。本章主要介绍存 储卡规范、控制器规范及所设计的s d 卡控制器的规格。 2 1s d 存储卡的介绍和规范 s d 卡的物理特点如管脚分配和数据传输协议和m m c ( m u l t im e d i ac a r d ) 兼容并略有增加，因此其大小和m m c 卡差不多，仅比m m c 卡厚了0 t m m ，以 容纳更大的存储单元，重仅约1 6 克，在外观上，s d 储存卡接口除了保留m m c 卡7 个管脚外，还在两边加了2 个管脚作为数据线，并且带了物理写保护开关【1 6 】。 下图为s d 卡内部结构图，如图2 1 所示。 “、 ! l 工v 量t 工l ! 黑 0 、， d a t 2 r c m i 3 i iical1ldatl3i3atg n t e r t a c ed r i v e r陆1 、，、 i m 伦m 剖d i ：l ： ，、 ， i o c r 3 1 ：0 l k i o u 【1 2 川j k ir c a 1 5 0 b c a r d 弓 i n t e r f a c o o ld s r 1 5 ：0 b - c o n t r o l l e r lc s d 1 2 7 ：0 】k is g r 6 3 ：0 b 詈 7 o 3 i m e m o r yc o r ei n t e r f a c ek _ ，_ i m e m 。r y c 0 哈 图2 1s d 卡内部结构图 其9 个管脚中，c d d a t 3 为卡检测数据位，c l k 为时钟，c m d 为命令， d a t 0 d a t 3 为4 根 s d 储存卡内有 c i d ：1 2 8 比特，用于证明卡身份的识别号码。为强制型。 r c a ：1 6 比特，相关卡地址：卡的本地系统地址，由卡和控制器在初始化 时确定。强制型。 d s r 1 6 比特，驱动进阶寄存器：用于设置卡的输出驱动能力。可选型。 c s d ：1 2 8 比特，卡特定数据：有关卡的操作条件的数据信息。强制型。 s c r 6 4 比特，s d 配置寄存器：有关s d 卡的特定功能信息。强制型。 o c r 3 2 比特，操作条件寄存器：强制型。 o c r 操作条件寄存器存储着卡的v d d 电压信息，此寄存器包含一些状态信 息位。当卡上电完成后，卡的上电状态位被置起。另一个状态位表明卡的容量， 当卡为高容量时，该位置1 ；为标准容量时，为o 。当卡上电完成后，控制器读 该状态位来识别卡的容量。特别地，针对双电压卡，当卡收到c m d 8 命令时， 该寄存器比特7 置l ，否则为0 。c i d 寄存器包含厂商d 号，产品名称，产品 版本，产品序列号等信息。c s d 寄存器定义了数据格式，错误正确类型，最大 数据访问时间，卡命令级以及最大数据传输速率等。r c a 寄存器在卡识别阶段 携带卡地址信息。d s r 寄存器用来改进总线速率或者扩大操作条件。s c r 寄存 器提供卡的安全支持，数据总线宽度支持，s d 3 0 版本支持等。 s d 卡有两种工作模式，分别为卡识别模式和数据传输模式。主机上电复位 和卡复位后都将处于卡识别模式，它会在总线上等待卡，直到s e n dr c a ( c m d 3 ) 命令到来。卡收到s e n d 后也进入此模式【1 7 1 。在卡识别模式时主机复位总线所有的卡，验证工作电压， 询问卡的地址，这个模式下所有数据的传输都是只通过c m d 线来完成。进入数 据传输模式后，主机先通过发s e n dc s d ( c m d 9 ) 命令获取卡的c s d 信息。 s e td s r ( c m d 4 ) 用于设置卡的d s r 寄存器，包括数据总线宽度，总线上卡的 数目，总线频率，当设置成功后，卡的工作频率也随之改变。传输模式下所有 的数据传输都是点对点的，并且所有有地址的命令都需要有响应。 2 2s d 控制器的规范 s d 3 0 控制器规范中主要对s d 卡的时钟，电源，读写等进行控制，介绍标 准寄存器的含义以及一些新增加的部分，这里主要对s d 3 0 新增部分进行介绍。 6 武汉理工大学硕士学位论文 s d 3 0 中提出了一个新的u h s i 模式，u h s i 的全称即u l t r ah i g hs p e e d p h a s ei 1 8 】。u h s i 操作的模式分为6 种。 d s ：缺省时工作频率为2 5 m h z ，电压为3 3 v h s ：高速模式，工作频率为5 0 m h z ，电压为3 3 v s d r l 2 ：工作频率为2 5 m h z ，电压为1 8 v s d r 2 5 ：工作频率为5 0 m h z ，电压为1 8 v s d r 5 0 ：工作频率为10 0 m h z ，电压为1 8 v s d r l0 4 ：工作频率为2 0 8 m h z ，电压为1 8 v d d r s 0 ：工作频率为5 0 m h z ，电压为1 8 v 对于d s 及h s 两种模式在s d 2 0 中已经支持，s d 3 0 中特别规定了另外5 种新的模式，其中，s d r l 2 及s d r 2 5 因为工作频率未变，只是电压变化为1 8 v ， 所以将电压从3 3 v 转化为1 8 v 即可。后四种模式，不但频率变化，电压也要切 换至1 8 v 。其中d d r 5 0 因为是利用时钟双沿采集数据，在同样频率为5 0 m h z 的情况下比s d r 2 5 速率要快。特别地，因为s d r 5 0 和s d r l 0 4 两种模式工作频 率很高，对时序要求较高，所以采用t u n i n g 进行时钟相位调整。采样点的选择 成为重点难点，针对这种情况，后文也给出了解决方案并实现其功能。u h s 1 只支持s d 卡的4 比特模式。一旦进入到u h s i 模式，卡会自动转变为4 比特模 式。另外，满足u h s i 模式的卡也是s d 卡中的一种，这种卡必须支持双电压， 同时工作频率最高可达2 0 8 m h z ，即s d x c 卡。这种卡的读写性能及操作也是本 文研究的重点。s d 3 0 中因为增加了d m a 传输模式，与以往没有d m a 传输的 情况相比也加大了传输速率。 2 3s d 控制器的规格 本文设计的s d 卡控制器具备如下功能： 支持s d 3 0 存储卡协议； 支持多时钟频率：2 5 l6 0 m h z ； 支持d m a 传输； 最大读写速率为：6 0 m b s ，3 5 m b s ； 存储卡写保护； 支持高频率数据传输； 支持s d x c 卡( 最新一种s d 卡) 。 7 r r 武汉理工大学 第3 章s d 卡控制器结构 s d 卡控制器主要用来控制s d 卡的读写功能，相当于一个读卡器。但与普 通u s b 读卡器不同的是，本文所述的读卡器基于p c ie x p r e s s 总线，是笔记本专 用存储卡读卡器。本章主要从整体结构的角度来介绍s d 卡控制器，并详述了各 功能模块的功能及联系。 3 1 总体结构 图3 1 为s d 卡控制器总体结构图。 图的左边是连接到p c 机的p c ie x p r e s s 总线，右边是s d 总线，中间为s d 控制器部分。本文重点研究s d 控制器部分。该控制器由几个模块组成，分别为 s d i o 、d m a 接1 3 、时钟控制、b u f f e r 控制、b u f f e rr a m 、t u n i n g ，s d 数据命 令控制模块。当进行读写操作时，s d 时钟控制模块提供时钟给其他模块。数据 通过p c ie x p r e s s 总线经过s d i o 或者d m a 接口模块进入控制器的存储模块中， 从s d i o 模块进入为驱动模式，从d m a 接口模块进入为d m a 模式。此过程需 要b u f f e r 控制模块对b u f f e rr a m 进行控制。同时将输出值( 如d m a 传输错误) 传输到s d 数据命令控制模块进行处理。 一：；口一一。 h 0 宝tl v 止c u l 仝 i ilt u n i n g夕 f i ： 仁参 翻o 一一l 趾姒叩 i 小 p c 眶 v y b u a 蛐g 扒 s d s o t v j u j b u f f e ra r l，1 j 仁 ，、 d m a i f ，p 眦t u t m 、广1 ， 1 d m l 7 b u f f 酿队 图3 1s d 控制器总体结构 专用连接，不需要向整个总线请求带宽，而且可以提高数据传输率，达到p c i 所不能提供的高带宽【1 9 1 。p c ie x p r e s s 的接口根据总线位宽不同而有所差异，包 括x l 、x 4 、x 8 以及x 1 6 ，p c ie x p r e s sx 1 规格支持双向数据传输，每向数据传 输带宽2 5 0 m b s 2 0 2 1 1 。本文采用p c ie x p r e s sx 1 的规格。 3 2 2s d 总线 卡有两种总线模式，即s d 模式和s p i 模式，s d 模式采用4 根数据线传输 数据，数据传输快，但协议相对复杂；s p i 模式采用1 根数据线传输数据，速度 传输相对较慢，但传输协议比较简单，操作比较简掣2 2 2 3 1 。本文采用s d 模式进 行数据传输。s d 模式下，s d 有9 个引脚，分别为时钟、命令、数据、电源和地。 另外，s d 总线支持动态数据线的动态配置，在上电以后，s d 卡仅用d a t 0 作为数据传输，初始化后，控制器可以改变数据线的宽度，当d a t l - d a t 3 没有 使用时，相关的输入数据线为三态。 3 3 控制器各模块功能说明 3 3 1s di o 接口模块 这个模块主要完成s d 控制器与c p u 总线接口的功能及s d 控制器标准寄 存器的设置。 接口功能时主要产生以下信号 1 ) 产生总线宽度控制信号，总线宽度分别3 2 比特，1 6 比特和8 比特，通过总 线宽度选择分别完成这三种宽度总线下数据的输出。 9 l 逶 武汉理工大学硕士学位论文 2 ) 产生字节使能信号，字节使能宽度为4 ，分别使能1 字节，2 字节和4 字节 数据。使能1 字节数据有四种情况，分别为0 0 0 1 ，0 0 1 0 ，0 1 0 0 ，1 0 0 0 ；使能2 字 节数据有两种情况，分别为0 0 11 ，l1 0 0 ；使能4 字节数据有一种情况，即1 l1 1 。 通过字节使能，使输入数据有效的载入。 3 ) 系统地址寄存器译码逻辑：根据地址输入的值选择寄存器地址，载入到 t m p d e c 中；c p u 寄存器读逻辑：将寄存器的值载入到ih do 中作为读出 的数据输出；c p u 寄存器写逻辑：将t m p d e c 的值载入到寄存器d r vs e l 作为要写入的寄存器地址，从h o s t 端输入的数据载入到icb u f do 后， 根据x b e 3 ：0 写入到选中的数据寄存器中。 4 ) 产生s d