基于Zynq FPGA对雷龙SD NAND的性能测试评估

一、SD NAND特征

1.1 SD卡简介

雷龙的SD NAND系列有多种型号，本次测试使用的是CSNP4GCR01-AMW和CSNP32GCR01-AOW。这些芯片基于NAND FLASH和SD控制器设计，支持强大的坏块管理和纠错功能，并能在意外断电的情况下确保数据安全。

其主要特点包括：

• 接口支持SD2.0，支持2线或4线模式；
• 电压支持：2.7V-3.6V；
• 默认模式：可变时钟速率0 - 25MHz，接口速度高达12.5 MB/s（使用4条并行数据线）；
• 高速模式：可变时钟速率0 - 50MHz，接口速度高达25 MB/s（使用4条并行数据线）；
• 工作温度范围：-40°C ~ +85°C；
• 存储温度范围：-55°C ~ +125°C；
• 待机电流小于250uA；
• 修正内存字段错误；
• 内容保护机制——符合SDMI最高安全标准；
• 支持SD NAND密码保护（CMD42 - LOCK_UNLOCK）；
• 内置写保护功能（永久和临时）；
• 提供机械开关的写保护功能；
• 提供应用程序特定命令；
• 支持舒适擦除机制。

该SD卡支持SDIO和SPI协议读写，最高读写速度可达25MB/s。实际的读写速度会根据MCU和接口情况进行调整。通常在简单的嵌入式系统中，若对读写速度要求不高，会选择使用SPI协议。但无论使用SDIO还是SPI，都需要符合相关协议规范，才能成功搭建文件系统。

1.2 SD卡Block图

该SD卡采用LGA-8封装，具体的引脚分配与定义见下图：

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二、SD卡样片

与样片一同寄来的还有转接板，转接板将LGA-8封装的芯片转接到标准的SD卡接口，这样只需将转接板插入SD卡卡槽即可使用。

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三、Zynq测试平台搭建

测试平台使用的是Xilinx的Zynq 7020 FPGA芯片，搭配Digilent Zybo Z7板卡。以下为相关配置：

• Vivado版本：2018.3
• 文件系统：FATFS
• SD卡接口：SD2.0

3.1 测试流程

本次测试针对4GB和32GB两种容量的SD卡，在Zynq FPGA上搭建了SD卡读写回路，旨在测试SD卡的读写速度并验证读写一致性。

测试步骤如下：

1. 初始化SD卡并建立FATFS文件系统；
2. 进入测试程序，首先写入一定大小的文件，然后测量写入时间；
3. 读取文件并测量读取时间；
4. 比较读取数据和写入数据，确保数据一致；
5. 通过写入时间和读取时间计算写入速度和读取速度。

测试过程将重复进行100次，最终输出测试报告。

3.2 SOC搭建

硬件搭建框图如下，在本系统中我们使用了PS端的SDIO接口来驱动SD NAND芯片，并通过UART与PC进行数据交互。

PL端硬件搭建非常简单，仅使用了一个Timer定时器来测量时间。

使用Zybo板卡文件创建工程，该文件会自动配置板卡中的硬件资源，若使用其他板卡，则需要手动配置DDR等硬件资源。

创建工程的步骤如下：

1. 点击Setting -> IP -> Repository -> +，添加Timer IP核的路径；

2. 创建Block Design（BD）工程；

3. 配置Zynq内核，修改时钟配置为100MHz；

4. 添加TimerA IP；

5. 自动生成设计并完成SOC搭建。

完成硬件搭建后，生成比特流文件，并将其导入到SDK中。

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四、软件搭建

在SDK中创建一个空白工程，并在其中编写测试程序。在每次读写操作开始之前，通过TimerA0_start()函数启动计时器，读写完成后通过TimerA0_stop()停止计时，从而获取操作所消耗的时间。

相关的Timer驱动函数在user/TimerA_user.c文件中定义。

#include "xparameters.h"    /* SDK generated parameters */
#include "xsdps.h"        /* SD device driver */
#include "xil_printf.h"
#include "ff.h"
#include "xil_cache.h"
#include "xplatform_info.h"
#include "time.h"
#include "../user/headfile.h"
#define    PACK_LEN       32764
static FIL fil;        /* File object */
static FATFS fatfs;
static char FileName[32] =