导读：本篇文章旨在通过SD卡的读写实例，上手SPI接口！
文章目录
一、实验简介
SD 卡(Secure Digital Memory Card)是一种基于半导体闪存工艺的存储卡， 1999年由日本松下主导概念，参与者东芝和美国 SanDisk 公司进行实质研发而完成。 2000年这几家公司发起成立了 SD 协会(Secure Digital Association 简称 SDA)，阵容强大，吸引了大量厂商参加。其中包括 IBM， Microsoft， Motorola， NEC、 Samsung 等。在这些领导厂商的推动下， SD 卡已成为目前消费数码设备中应用最广泛的一种存储卡。
PGL22G板载 SD 卡，支持 SPI 模式，使用的 SD 卡为 MicroSD 卡，与PGL22G的信号连接图如下图所示：
SD 卡是内部集成了 nand flash 控制器，方便了主机的的管理。本实验主要是练习对 sd 卡的扇区进行读写，通常 sd 卡都有文件系统，可以按照文件名和目录路径来读写文件，但文件系统非常复杂，本实验不做讲解，在后续的实验中我们通过搜索特定的文件头来读特殊的文件，完成音频播放、图片读取显示等。
二、实验原理
2.1、硬件描述
开发板上装有一个 Micro SD 卡座，FPGA 通过 SPI 数据总线访问 Micro SD 卡, SD 卡座和 FPGA 的硬件电路连接如下：
在 SD 卡数据读写速度要求不高的情况下，选用 SPI 通信模式可以说是一种最佳的解决方案。因为在 SPI 模式下，通过四条线就可以完成所有的数据交换。本实验将为大家介绍 FPGA 通过 SPI 总线读写 SD 卡。要完成 SD 卡的 FPGA 读写，用户需要理解 SD 卡的命令协议。
2.2、SD卡协议简介
SD 卡的协议是一种简单的 命令/响应 的协议。全部命令由主机发起，SD 卡接收到命令后并返回响应数据。根据命令的不同，返回的数据内容和长度也不同。
SD 卡命令是一个 6 字节组成的命令包，其中：
- 第
1个字节为命令号， 命令号高位bit7和bit6为固定的“01“，其它 6 个 bit 为具体的命令号。 - 第
2 ~ 5个字节为命令参数。 - 第
6个字节为： 7 个 bit 的 CRC 校验 + 1 个 bit 的结束位。如果在 SPI 模式的时候，CRC 校验位为可选。
命令格式如下图所示，Command 表示命令，通常使用十进制表示名称，例如 CMD17，这个时候 Command 就是十进制的 17。SD 卡具体的协议本实验不讲解，可自行找相关资料学习。
SD 卡对每个命令会返回一个响应，每个命令有一定的响应格式。响应的格式跟给它的命令号有关。在 SPI 模式中，有三种响应格式：R1，R2，R3。
2.2.1、SD卡2.0版的初始化步骤
- ①、上电后延时至少
74 clock，等待 SD 卡内部操作完成 - ②、片选 CS 低电平选中 SD 卡
- ③、发送
CMD0，需要返回0x01，进入Idle状态 - ④、为了区别 SD 卡是 2.0 还是 1.0，或是 MMC 卡，这里根据协议向上兼容的判断方法：
- 首先发送只有 SD2.0 才有的命令
CMD8，如果CMD8返回无错误，则初步判断为 2.0 卡 - 进一步循环发送命令
CMD55+ACMD41，直到返回0x00，确定 SD2.0 卡
- 首先发送只有 SD2.0 才有的命令
- ⑤、如果
CMD8返回错误则判断为 1.0 卡还是 MMC 卡，循环发送CMD55+ACMD41，返回无错误，则为 SD1.0 卡，到此 SD1.0 卡初始成功。- 如果在一定的循环次数下，返回为错误，则进一步发送
CMD1进行初始化，如果返回无错误，则确定为 MMC 卡。 - 如果在一定的循环次数下，返回为错误，则不能识别该卡，初始化结束。（通过
CMD16可以改变 SD 卡一次性读写的长度）
- 如果在一定的循环次数下，返回为错误，则进一步发送
- ⑥、CS 拉高
2.2.2、SD卡的读步骤
- ①、发送
CMD17（单块）或CMD18（多块）读命令，返回0x00 - ②、接收数据：开始令牌
fe（或fc）+ 正式数据512Bytes+ CRC 校验2Bytes（默认正式传输的数据长度是512Bytes）
2.2.3、SD卡的写步骤
- ①、发送
CMD24（单块）或CMD25（多块）写命令，返回0x00 - ②、发送数据：开始令牌
fe（或fc）+ 正式数据512Bytes+ CRC 校验2Bytes
三、程序设计
下面主要对 sd_card_top 及其3个子程序进行介绍和说明。
首先，介绍顶层模块sd_card_top，它输入输出端口如下图所示：
接着介绍sd_card_top 包含的 3 个子程序，分别为sd_card_sec_read_write.v，sd_card_cmd.v 和 spi_master.v 文件。它们的逻辑关系如下图所示：
3.1、sd_card_sec_read_write模块
以下为 sd_card_sec_read_write 模块端口说明：
| 信号名称 | 方向 | 说明 |
|---|---|---|
| rst | in | 异步复位输入，高复位 |
| clk | in | 时钟输入 |
| - | - | - |
| spi_clk_div | in | SPI 时钟分频，SPI 时钟频率=系统时钟/（( spi_clk_div + 2）*2） |
| - | - | - |
| sd_init_done | out | sd 卡初始化完成 |
| - | - | - |
| sd_sec_read | in | sd 卡扇区读请求 |
| sd_sec_read_addr | in | sd 卡扇区读地址 |
| sd_sec_read_data | out | sd 卡扇区读出的数据 |
| sd_sec_read_data_valid | out | sd 卡扇区读出的数据有效 |
| sd_sec_read_end | out | sd 卡扇区读完成 |
| - | - | - |
| sd_sec_write | in | sd 卡扇区写请求 |
| sd_sec_write_addr | sd_sec_write_addr | sd 卡扇区写请求地址 |
| sd_sec_write_data | in | sd 卡扇区写请求数据 |
| sd_sec_write_data_req | out | sd 卡扇区写请求数据读取，提前 sd_sec_write_data 一个时钟周期 |
| sd_sec_write_end | out | sd 卡扇区写请求完成 |
| - | - | - |
| cmd_req | in | sd 卡命令请求 |
| cmd_req_ack | out | sd 卡命令请求应答 |
| cmd_req_error | out | sd 卡命令请求错误 |
| - | - | - |
| cmd | in | sd 卡命令，命令+参数+CRC，一共 48bit |
| cmd_r1 | in | sd 卡命令期待的 R1 响应 |
| cmd_data_len | in | sd 卡命令后读取的数据长度，大部分命令没有读取数据 |
| - | - | - |
| block_read_req | in | 块数据读取请求 |
| block_read_valid | out | 块数据读取数据有效 |
| block_read_data | out | 块数据读取数据 |
| block_read_req_ack | out | 块数据读取请求应答 |
| - | - | - |
| block_write_req | in | 块数据写请求 |
| block_write_data | in | 块数据写数据 |
| block_write_data_rd | out | 块数据写数据请求，提前 block_write_data 一个时钟周期 |
| block_write_req_ack | out | 块数据写请求应答 |
sd_card_sec_read_write 模块有一个状态机，首先完成 SD 卡初始化，下图为模块的初始化状态机转换图，首先发送 CMD0 命令，然后发送 CMD8 命令，再发送 CMD55，接着发送 CMD41 和 CMD16。如果应答正常，sd 卡初始化完成，等待 SD 卡扇区的读写命令。
然后等待扇区读写指令，并完成扇区的读写操作，下图为模块的读写状态机转换图。
在此模块中定义了两个参数，SD 卡的初始化过程是需要先用慢时钟来发送命令和配置，等待初始化成功后再用快时钟来进行数据读写。
parameter SPI_LOW_SPEED_DIV = 248
parameter SPI_HIGH_SPEED_DIV = 0
3.2、sd_card_cmd.v模块
sd_card_cmd 模块端口的说明如下：
| 信号名称 | 方向 | 说明 |
|---|---|---|
| rst | in | 异步复位输入，高复位 |
| sys_clk | in | 时钟输入 |
| - | - | - |
| spi_clk_div | in | SPI 时钟分频，SPI 时钟频率=系统时钟/（( spi_clk_div + 2）*2） |
| - | - | - |
| cmd_req | in | sd 卡命令请求 |
| cmd_req_ack | out | sd 卡命令请求应答 |
| cmd_req_error | out | sd 卡命令请求错误 |
| - | - | - |
| cmd | in | sd 卡命令，命令+参数+CRC，一共 48bit |
| cmd_r1 | in | sd 卡命令期待的 R1 响应 |
| cmd_data_len | in | sd 卡命令后读取的数据长度，大部分命令没有读取数据 |
| - | - | - |
| block_read_req | in | 块数据读取请求 |
| block_read_valid | out | 块数据读取数据有效 |
| block_read_data | out | 块数据读取数据 |
| block_read_req_ack | out | 块数据读取请求应答 |
| - | - | - |
| block_write_req | in | 块数据写请求 |
| block_write_data | in | 块数据写数据 |
| block_write_data_rd | out | 块数据写数据请求，提前 block_write_data 一个时钟周期 |
| block_write_req_ack | out | 块数据写请求应答 |
| - | - | - |
| nCS_ctrl | out | 到 SPI master 控制器，cs 片选控制 |
| clk_div | out | 到 SPI Master 控制器，时钟分频参数 |
| - | - | - |
| spi_wr_req | out | 到 SPI Master 控制器，写一个字节请求 |
| spi_wr_ack | in | 来自 SPI Master 控制器，写请求应答 |
| spi_data_in | out | 到 SPI Master 控制器，写数据 |
| spi_data_out | in | 来自 SPI Master 控制器，读数据 |
sd_card_cmd 模块主要实现 sd 卡基本命令操作，还有上电初始化的 80（≥74） 个周期的时钟，数据块的命令和读写的状态机如下。
从 SD 2.0 的标准里我们可以看到，从主控设备写命令到 SD 卡, 最高两位 47~46 位必须为“01”，代表命令发送开始。
所以代码中都是将 48 位命令的高八位与十六进制 0x40 做或操作得到的结果再写入，所以才有了如下一段代码：
3.3、spi_master模块
spi_master 模块主要完成 SPI 一个字节的读写，当 SPI 状态机在 idle 的时候，检测到 wr_req 的信号为高，会产生 8 个 DCLK，并把 data in 的数据从高位依次输出到 MOSI 信号线上。MOSI 在 8 个 DCLK 的输出数据为 data in 的值 0x58。
同时 spi_master 程序也会读取 MISO 输入的数据，转换成 8 位的 data_out 数据输出实现 SPI的一个字节的数据读取。
四、实验现象
下载实验程序后，可以看到 LED 显示一个二进制数字，这个数字是存储在 sd 卡中第一扇区的第一个数据，数据是随机的，这个时候按键 KEY2 按下，数字加一，并写入了 sd 卡，再次下载程序，可以看到直接显示更新后的数据。
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