从零开始，基于FPGA实现SD卡高效读写操作（二）

引言：上一篇博文介绍了SD卡的理论知识，本文我们介绍如何利用FPGA实现SD卡的读写操作。

1.硬件电路

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的硬件电路连接如图1所示。

图1：SD卡硬件原理图设计

本文通过SD卡SPI模式进行读写操作，SPI模式管脚定义如图1所示。

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，其中第一个字节为命令号，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个字节到第5个字节为命令参数。第6个字节为7个bit的CRC校验加1个bit的结束位。如果在SPI模式的时候，CRC校验位为可选。如图2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。

图2：SD卡命令格式

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。

图3：SPI模式响应R1格式

图4：SPI模式响应R2格式

图5：SPI模式响应R3格式

2.2.1 SD卡2.0版的初始化步骤

（1）上电后延时至少74clock，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，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；

（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）；

（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。

图 6：单块读操作

2.2.3 SD卡的写步骤

（1）发送 CMD24（单块）或 CMD25（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。

图 7：单块写操作

3.FPGA实现

（1）软件实现
        本文要利用FPGA通过SPI接口实现SD卡读写操作。具体功能如下：

（1）SD卡SPI接口驱动设计；

（2）SD卡读写操作；

（3）读出数据显示在LED灯上；

（4）按键消抖功能。

软件功能模块划分如图8所示。

图8：软件功能模块框图

各个模块功能：

（1）sd_card_test.v模块为顶层模块，实现模块间互联；

（2）spi_master.v实现SPI总线接口对外通信功能；

（3）sd_card_cmd.v实现SD卡命令协议功能；

（4）sd_card_sec_read_write.v实现SD卡读写命令状态机操作功能；

（5）sd_card_top.v实现SD卡读写功能顶层互联；

（6）KeyJitters.v实现按键操作消抖功能；

（7）sd_test_ctrl.v实现SD卡测试数据读写状态机控制。

 （2）测试结果

软件下载至电路板，SD卡读出数据正常显示在LED上，如图9所示，显示读写操作正确。

图9：SD卡读出数据

图10：SD卡读出数据显示在LED灯上