【集创赛分享】 SD卡外设扩展分享_开源蜂鸟E203

队伍编号：CICC3454 喝可乐队

SD卡读写控制，Xilinx官方并没有提供相关的IP，故本项目自主设计并封装为可复用IP核。
根据Micro SD卡的引脚图，其可工作在SDIO模式或者SPI模式。在SDIO模式下，共用到CLK、CMD、DAT[3:0]六根信号线；在SPI模式下，共用到CS（SDIO_DAT[3]）、CLK（SDIO_CLK）、MISO（SDIO_DAT[0]）、MOSI（SDIO_CMD）四根信号线。在本工程中，SD卡工作在SDIO模式下。

图片alt

SD卡的写操作流程如下：

1 拉低片选CS引脚，发送命令CMD24（0x58）读取单个数据块，命令发送完成后等待SD卡返回响应数据；
2 SD卡返回正确响应数据0x00后，等待至少8个时钟周期，开始发送数据头0xfe；
3 发送完数据头0xfe后，接下来开始发送512个字节的数据；
4 数据发送完成后，发送2个字节的CRC校验数据。由于SPI模式下不对数据进行CRC校验，直接发送两个字节的0xff即可；
5 校验数据发送完成后，等待SD卡响应；
6 SD卡返回响应数据后会进入写忙状态（MISO引脚为低电平），即此时不允许其它操作。当检测到MISO引脚为高电平时，SD卡此时退出写忙状态；
7 拉高CS引脚，等待8个时钟周期后允许进行其它操作。
SD卡的读操作流程如下：
1 拉低片选CS引脚，发送命令CMD17（0x51）读取单个数据块，命令发送完成后等待SD卡返回响应数据；
2 SD卡返回正确响应数据0x00后，准备开始解析SD卡返回的数据头0xfe；
3 解析到数据头0xfe后，接下来接收SD卡返回的512个字节的数据；
4 数据解析完成后，接下来接收两个字节的CRC校验值。由于SPI模式下不对数据进行CRC校验，可直接忽略这两个字节；
5 校验数据接收完成后，等待8个时钟周期；

6 拉高片选CS引脚，等待8个时钟周期后允许进行其它操作。
体现在Verilog文件中，部分关键源码如下：
always @(posedge clock) begin
if (reset) begin

  s_axi_rdata <= 0;
  s_axi_rresp <= 0;
  s_axi_rvalid <= 0;
  s_axi_bresp <= 0;
  s_axi_bvalid <= 0;
  rd_req <= 0;
  wr_req <= 0;
  read_addr <= 0;
  write_addr <= 0;
  write_data <= 0;
  cmd_start <= 0;
  data_int_rst <= 0;
  cmd_int_rst <= 0;
  ctrl_rst <= 0;
  argument_reg <= 0;
  command_reg <= 0;
  cmd_timeout_reg <= 0;
  data_timeout_reg <= 0;
  block_size_reg <= `RESET_BLOCK_SIZE;
  controller_setting_reg <= 0;
  cmd_int_enable_reg <= 0;
  data_int_enable_reg <= 0;
  software_reset_reg <= 0;
  clock_divider_reg <= `RESET_CLOCK_DIV;
  block_count_reg <= 0;
  sd_insert_ie <= 0;
  sd_remove_ie <= 0;
  dma_addr_reg <= 0;

end else begin

  if (clock_posedge) begin
      cmd_start <= 0;
      data_int_rst <= 0;
      cmd_int_rst <= 0;
      ctrl_rst <= software_reset_reg[0];
  end
  if (s_axi_arready && s_axi_arvalid) begin
      read_addr <= s_axi_araddr;
      rd_req <= 1;
  end
  if (s_axi_rvalid && s_axi_rready) begin
      s_axi_rvalid <= 0;
  end else if (!s_axi_rvalid && rd_req) begin
      s_axi_rdata <= 0;
      if (read_addr[15:8] == 0) begin
          case (read_addr[7:0])
              `argument     : s_axi_rdata <= argument_reg;
              `command      : s_axi_rdata <= command_reg;
              `resp0        : s_axi_rdata <= response_0_reg;
              `resp1        : s_axi_rdata <= response_1_reg;
              `resp2        : s_axi_rdata <= response_2_reg;
              `resp3        : s_axi_rdata <= response_3_reg;
              `controller   : s_axi_rdata <= controller_setting_reg;
              `blksize      : s_axi_rdata <= block_size_reg;
              `voltage      : s_axi_rdata <= voltage_controll_reg;
              `capa         : s_axi_rdata <= capabilies_reg;
              `clock_d      : s_axi_rdata <= clock_divider_reg;
              `reset        : s_axi_rdata <= { cmd_start, data_int_rst, cmd_int_rst, ctrl_rst };
              `cmd_timeout  : s_axi_rdata <= cmd_timeout_reg;
              `data_timeout : s_axi_rdata <= data_timeout_reg;
              `cmd_isr      : s_axi_rdata <= cmd_int_status_reg;
              `cmd_iser     : s_axi_rdata <= cmd_int_enable_reg;
              `data_isr     : s_axi_rdata <= data_int_status_reg;
              `data_iser    : s_axi_rdata <= data_int_enable_reg;
              `blkcnt       : s_axi_rdata <= block_count_reg;
              `card_detect  : s_axi_rdata <= { sd_remove_int, sd_remove_ie, sd_insert_int, sd_insert_ie };
              `dst_src_addr : s_axi_rdata <= dma_addr_reg;
          endcase
      end
      s_axi_rresp <= 0;
      s_axi_rvalid <= 1;
      rd_req <= 0;
  end
  if (s_axi_awready && s_axi_awvalid) begin
      write_addr <= s_axi_awaddr;
      wr_req[0] <= 1;
  end
  if (s_axi_wready && s_axi_wvalid) begin
      write_data <= s_axi_wdata;
      wr_req[1] <= 1;
  end
  if (s_axi_bvalid && s_axi_bready) begin
      s_axi_bvalid <= 0;
  end else if (!s_axi_bvalid && wr_req == 2'b11) begin
      if (write_addr[15:8] == 0) begin
          case (write_addr[7:0])
              `argument     : begin argument_reg <= write_data; cmd_start <= 1; end
              `command      : command_reg <= write_data;
              `reset        : software_reset_reg <= write_data;
              `cmd_timeout  : cmd_timeout_reg <= write_data;
              `data_timeout : data_timeout_reg <= write_data;
              `blksize      : block_size_reg <= write_data;
              `controller   : controller_setting_reg <= write_data;
              `cmd_isr      : cmd_int_rst <= 1;
              `cmd_iser     : cmd_int_enable_reg <= write_data;
              `clock_d      : clock_divider_reg <= write_data;
              `data_isr     : data_int_rst <= 1;
              `data_iser    : data_int_enable_reg <= write_data;
              `blkcnt       : block_count_reg <= write_data;
              `card_detect  : begin sd_remove_ie <= write_data[2]; sd_insert_ie <= write_data[0]; end
              `dst_src_addr : dma_addr_reg <= write_data;
          endcase
      end
      s_axi_bresp <= 0;
      s_axi_bvalid <= 1;
      wr_req <= 0;
  end

end
end

将其与FIFO封装为IP，IP核包括的文件结构如下：

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通过AXI总线，将SD卡控制器挂载在SoC上，通过中央处理器进行配置与控制，并引出SDIO_CMD、DAT[3:0]与CLK引脚，通过SoC顶层system文件引出。

图片alt

在xdc文件中绑定引脚如下：

SD Card

set_property PACKAGE_PIN AB15 [get_ports {sdio_dat[3]}]
set_property PACKAGE_PIN AA15 [get_ports {sdio_dat[2]}]
set_property PACKAGE_PIN AB17 [get_ports {sdio_dat[1]}]
set_property PACKAGE_PIN Y16 [get_ports {sdio_dat[0]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sdio_dat[3]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sdio_dat[2]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sdio_dat[1]}]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports {sdio_dat[0]}]
set_property PACKAGE_PIN W14 [get_ports sdio_clk]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports sdio_clk]
set_property PACKAGE_PIN Y14 [get_ports sdio_cmd]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports sdio_cmd]
set_property PACKAGE_PIN AA16 [get_ports sdio_cd]
set_property IOSTANDARD LVCMOS33 [get_ports sdio_cd]
将32GB的Micro SD卡通过Windows/Linux下的磁盘管理工具进行格式化，并添加卷为FAT32，接入开发板时选择开发板上标注FPGA_SD的SD卡接口，通过软件控制读写，具体软件驱动见后续分享。

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SD Card

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