基于FPGA实现SD卡的数据读写（SD NAND FLASH）

文章目录

存储芯片

SD卡

FPGA实现SD NAND读写

设计思路

程序架构

代码实现

实验结果

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存储芯片

        目前市面上的存储芯片，大致可以将其分为3大类：

EEPROM

        EEPROM (Electrically Erasable Programmable read only memory)是指带电可擦可编程只读存储器，是一种掉电后数据不丢失的存储芯片。EEPROM 可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程。

        这类产品容量小，读取速度慢，且无法在应用过程中写入数据，十分不便。目前多存在于一些MCU内部，如遥控器，电风扇等各类低端、低速消费类产品。相信你读大学如果玩单片机的话，那么应该是不陌生。

 NOR Flash

        NOR Flash由Intel在1988年发明，是市场上两种主要的非易失闪存技术之一。NOR Flash 技术的出现，彻底改变了原先由EPROM和EEPROM一统天下的局面。

        NOR Flash可能是目前应用领域最广泛的一种存储芯片了，基本上主流的电子产品里都有使用，比如手机摄像头内部，或者屏幕驱动电路板。主要用来存储代码和一些比较小的数据文件。NOR Flash架构决定了它的容量不能做大，而且读取速度比较慢。好处在于简单易用，其接口可以实现地址寻址，也就意味着可以做到直接对某个地址直接操作，而不需要建立额外的文件系统。

NAND Flash

        虽然很多人平常说的Flash 存储器一半默认其就是NOR Flash ，但这无疑是不严谨的。FLASH产品可以分为两个大类：NOR Flash 和 NAND Flash 。

        NAND Flash 是市场上两种主要的非易失闪存技术之一，由东芝公司在1989年发明。其强调降低每比特的成本，并拥有更高的性能，可以像磁盘一样可以通过接口轻松升级。

        NAND Flash应该是目前最热门的存储芯片了。因为我们生活中经常使用的电子产品都会涉及到它。比如你买手机，肯定会考虑64GB，还是256GB？买笔记本是买256GB，还是512GB容量的硬盘呢？（目前电脑大部分采用了基于NAND Flash产品的固态硬盘）

两种Flash的区别

        Flash 闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任何Flash 器件的写入操作都只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。NAND器件执行擦除操作是十分简单的，而NOR则要求在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0。

        执行擦除时块尺寸的不同进一步拉大了NOR和NAND之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作(尤其是更新小文件时)，更多的擦除操作必须在基于NOR的单元中进行。这样，当选择存储解决方案时，用户必须权衡以下因素：

       1、 NOR Flash支持随机访问，所以支持XIP(execute In Place)，NAND Flash需要按块进行读取，所以不支持XIP。NAND FLASH理论读取速度与NOR Flash相近，实际情况会根据接口不同有些差异。

        2、NOR 与 NAND 写入前都需要先擦除，NOR在擦除时以64～128KB的块进行，执行一个写入/擦除操作的时间约5s，NAND在擦除时以8～32KB的块进行，执行一个写入/擦除操作的时间约4ms，NAND 理论最大擦除次数比NOR多。

        3、NOR 驱动比NAND简单，NAND FLASH需要通过专门的NFI（NAND FLASH Interface）与Host端进行通信，驱动相对复杂。

        4、所有Flash 都会有位反转的问题，NAND 位反转概率要比NOR高，NAND Flash 必须要使用ECCNAND的单元尺寸几乎是NOR器件的一半，所以NAND成本更低。

        NOR 与 NAND 各有特点，应用场景与应用难度也不同，一般来讲，NOR适用于小容量、略低速且需要直接对地址块进行操作的应用，而NADN则适用于大容量的高速应用。SD NAND 在保留了NAND架构优质特性的同时改进了不足之处，内置的控制器能自行管理NAND Flash，无需在外部处理ECC和进行坏块管理，免去了MTD层，不需要写繁琐的驱动代码。

SD卡

①概述

        SD卡的英文全称是Secure Digital Card，即安全数字卡（又叫安全数码卡），是在MMC 卡（Multimedia Card，多媒体卡）的基础上发展而来，主要增加了两个特色：更高的安全性和更快的读写速度。

 ②容量标准和速度等级

        若按照容量 对 SD 卡进行等级划分，SD 卡可分为 4 个等级，SD（Secure Digital Card，安全数字卡） 卡、SDHC 卡（Secure Digital High Capacity，高容量安全数字卡）、SDXC 卡（ SD eXtended Capacity，容量扩大化的安全数字卡）和 SDUC（Secure Digital Ultra Capacity，超 容量安全数字卡）。现今，市场的主流 SD 产品是 SDHC 和 SDXC 这两种较大容量的存储 卡，SD 卡因容量过小，已逐渐被市场淘汰，SDUC 则是容量太大，预计会出现在未来市 场。SD 卡的四种容量标准，具体见下图：

        不同品牌和厂商生产的 SD 卡在对存取速度上的定义标准不同，这会使用户在选择 SD卡时产生困扰。所以 SD 协会根据视频匀速写入到 SD 卡的最低持续速度来划分不同等级， 每个等级的速率是以每秒传输多少 MB 来衡量的，单位为 MB/S。

         SD 协会定义了三种速度等级：速度等级、UHS 速度等级与视频速度等级。三种速度等级的具体传输速度如下图：

SD NAND

        上文中提到的SD卡其实更应该叫做TF卡，在日常生活中最常见的应用就是数码相机的存储卡。因为它是可拆卸的，所以这类SD卡最大的优点就是便携方便，但同时也有容易丢失和接触不良等毛病，所以多用于消费类产品。

        在工业级应用中，更多见的是一类贴片式的SD NAND产品，俗称贴片式T卡或贴片式SD卡。虽然SD NAND 和TF卡称呼上有些类似，但是SD NAND和TF卡有着本质上的区别：

        为什么SD NAND和 TF卡 之间有这么大区别呢？因为 SD NAND是为内置存储而生，是焊接在PCB板上的，是针对工业级应