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SD卡的FPGA实现_fpga sd安全卡设计
作者：我家小花儿 | 2024-02-29 01:32:42
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fpga sd安全卡设计
1 简介
SD（Secure Digital Card）卡，即数字安全卡，实在MMC（Multimedia Card）多媒体卡的基础上发展而来的，且接口向上兼容。MMC卡可以被SC卡识别。SD卡按照容量分为SD、SDHC、SDXC三个等级。SD支持V1.0，SDHC以上支持V2.0协议。
本次SD卡为V2.0且工作在SPI模式下。
2 接口
SD卡有9根引脚线，可工作在SDIO模式或者SPI模式。在SDIO模式下，共用到CLK、CMD、DATA[3:0]六根线；SPI模式下，用到CS、CLK、MISO、MOSI四根信号线。接口定义如下：
| 引脚编号 | 引脚名称 | 功能（SDIO模式） | 功能（SPI模式） |
|---|---|---|---|
| Pin1 | DAT3/CS | 数据线3 | 片选信号 |
| Pin2 | CMD/MDIO | 命令线 | 主机输出，从机输入 |
| Pin3 | VSS1 | 电源地 | 电源地 |
| Pin4 | VDD | 电源 | 电源 |
| Pin5 | CLK | 时钟 | 时钟 |
| Pin6 | VSS2 | 电源地 | 电源地 |
| Pin7 | DATA[0]/MISO | 数据线0 | 主机输入/从机输出 |
| Pin8 | DATA[1] | 数据线1 | 保留 |
| Pin9 | DATA[2] | 数据线2 | 保留 |
3操作命令和操作时序
3.1 操作命令
在SPI模式下，命令的起始位为0，次高位为1，检测到0说明命令开始传输。低六位为命令位，如CMD55 = 8’d55 + 8’b0100_0000 = 8’b0011_0111 + 8’b0100_0000 = 0x77;
| 命令索引 | 命令号 | 参数 | 返回类型 | 描述 |
|---|---|---|---|---|
| CMD0 | 0x40 | 保留位 | R1 | 重置SD卡进入默认状态，返回值0x01表示重置成功 |
| CMD8 | 0x48 | bit[31:12]:保留位 bit[11:8]:主机电压范围（VHS） 0: 未定义 1: 2.7V~3.6V 2: 低电压 4:保留位 8 :保留位 其他：未定义 Bit[7:0]:校验字节，此字节与返回的校验字节应该相同 | R7 | 发送主机的电压范围以及查询SD卡的电压范围，V1.0版本的SD卡不支持此指令。只有V2.0版本的卡才支持此指令，如果返回值为0x01,则表示此卡为V2.0卡，否则为MMC卡或者V1.0卡 |
| CMD17 | 0x51 | Bit[31:0]:SD卡读扇区地址 | R1 | SD卡的读命令 |
| CMD24 | 0x58 | Bit[31:0]:SD卡写扇区地址 | R1 | SD卡写命令 |
| CMD55 | 0x77 | Bit[31:16]:RCA（SD卡相对地址），在SPI模式下没有用到 Bit[15:0]:保留位 | R1 | 告诉SD卡接下来的我命令是相对命令，而非标准命令 |
| ACMD41 | 0x69 | Bit[31]:保留位 Bit[30]：HCS（OCR[30]）,如果主机支持SDHC或者SDXC的卡，此为应设置为1 Bit[29:0]：保留位 | R3 | 要求访问SD卡发送他的操作条件寄存器（OCR）内容 |
返回类型
R1:七位，
R3:
3.2 操作时序
检测到0表示命令开始传输。接收和发送都以0作为起始位。
| 名称 | 位数 | 作用 |
|---|---|---|
| CMD | 1 | 命令位 |
| 参数内容 | 2~5byte | 有些参数是保留位，没有定义，保留位应设置为0 |
| 校验 | 1 | 前七位是CRC循环冗余校验，最后一位是0，在SPI模式下默认不开启，直接置1.但是上电默认状态是SDIO,所以初期要发送CRC,但是CRC码是固定的，CMD8也是要CRC校验的 |
为了保证所有的操作都在上升沿完成。本次模块内部提供两个时钟，一个是clk_ref，另一个是clk_ref_180。其中clk_ref作为数据发送的时钟，clk_ref作为数据接收的时钟和SPI协议时钟。
3.2.1 初始化
初始化时钟一般不超过400KMZ。
初始化过程的状态机如下图
模块接口如下
//****************************************Copyright (c)***********************************// //原子哥在线教学平台：www.yuanzige.com //技术支持：www.openedv.com //淘宝店铺：http://openedv.taobao.com //关注微信公众平台微信号："正点原子"，免费获取ZYNQ & FPGA & STM32 & LINUX资料。 //版权所有，盗版必究。 //Copyright(C) 正点原子 2018-2028 //All rights reserved //---------------------------------------------------------------------------------------- // File name: sd_init // Last modified Date: 2020/05/28 20:28:08 // Last Version: V1.0 // Descriptions: SD卡初始化模块 // //---------------------------------------------------------------------------------------- // Created by: 正点原子 // Created date: 2020/05/28 20:28:08 // Version: V1.0 // Descriptions: The original version // //---------------------------------------------------------------------------------------- //****************************************************************************************// module sd_init( input clk_ref , //时钟信号 input rst_n , //复位信号,低电平有效 input sd_miso , //SD卡SPI串行输入数据信号 output sd_clk , //SD卡SPI时钟信号 output reg sd_cs , //SD卡SPI片选信号 output reg sd_mosi , //SD卡SPI串行输出数据信号 output reg sd_init_done //SD卡初始化完成信号 ); //parameter define //SD卡软件复位命令,由于命令号及参数为固定值,CRC也为固定值,CRC = 8'h95 parameter CMD0 = {8'h40,8'h00,8'h00,8'h00,8'h00,8'h95}; //接口状态命令,发送主设备的电压范围,用于区分SD卡版本,只有2.0及以后的卡才支持CMD8命令 //MMC卡及V1.x的卡,不支持此命令,由于命令号及参数为固定值,CRC也为固定值,CRC = 8'h87 parameter CMD8 = {8'h48,8'h00,8'h00,8'h01,8'haa,8'h87}; //告诉SD卡接下来的命令是应用相关命令，而非标准命令, 不需要CRC parameter CMD55 = {8'h77,8'h00,8'h00,8'h00,8'h00,8'hff}; //发送操作寄存器(OCR)内容, 不需要CRC parameter ACMD41= {8'h69,8'h40,8'h00,8'h00,8'h00,8'hff}; //时钟分频系数,初始化SD卡时降低SD卡的时钟频率,50M/250K = 200 parameter DIV_FREQ = 200; //上电至少等待74个同步时钟周期,在等待上电稳定期间,sd_cs = 1,sd_mosi = 1 parameter POWER_ON_NUM = 5000; //发送软件复位命令时等待SD卡返回的最大时间,T = 100ms; 100_000us/4us = 25000 //当超时计数器等于此值时,认为SD卡响应超时,重新发送软件复位命令 parameter OVER_TIME_NUM = 25000; parameter st_idle = 7'b000_0001; //默认状态,上电等待SD卡稳定 parameter st_send_cmd0 = 7'b000_0010; //发送软件复位命令 parameter st_wait_cmd0 = 7'b000_0100; //等待SD卡响应 parameter st_send_cmd8 = 7'b000_1000; //发送主设备的电压范围，检测SD卡是否满足 parameter st_send_cmd55 = 7'b001_0000; //告诉SD卡接下来的命令是应用相关命令 parameter st_send_acmd41 = 7'b010_0000; //发送操作寄存器(OCR)内容 parameter st_init_done = 7'b100_0000; //SD卡初始化完成 //reg define reg [7:0] cur_state ; reg [7:0] next_state ; reg [7:0] div_cnt ; //分频计数器 reg div_clk ; //分频后的时钟 reg [12:0] poweron_cnt ; //上电等待稳定计数器 reg res_en ; //接收SD卡返回数据有效信号 reg [47:0] res_data ; //接收SD卡返回数据 reg res_flag ; //开始接收返回数据的标志 reg [5:0] res_bit_cnt ; //接收位数据计数器 reg [5:0] cmd_bit_cnt ; //发送指令位计数器 reg [15:0] over_time_cnt ; //超时计数器 reg over_time_en ; //超时使能信号 wire div_clk_180deg ; //时钟相位和div_clk相差180度 //***************************************************** //** main code //***************************************************** assign sd_clk = ~div_clk; //SD_CLK assign div_clk_180deg = ~div_clk; //相位和DIV_CLK相差180度的时钟 //时钟分频,div_clk = 250KHz always @(posedge clk_ref or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin div_clk <= 1'b0; div_cnt <= 8'd0; end else begin if(div_cnt == DIV_FREQ/2-1'b1) begin div_clk <= ~div_clk; div_cnt <= 8'd0; end else div_cnt <= div_cnt + 1'b1; end end //上电等待稳定计数器 always @(posedge div_clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) poweron_cnt <= 13'd0; else if(cur_state == st_idle) begin if(poweron_cnt < POWER_ON_NUM) poweron_cnt <= poweron_cnt + 1'b1; end else poweron_cnt <= 13'd0; end //接收sd卡返回的响应数据 //在div_clk_180deg(sd_clk)的上升沿锁存数据 always @(posedge div_clk_180deg or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin res_en <= 1'b0; res_data <= 48'd0; res_flag <= 1'b0; res_bit_cnt <= 6'd0; end else begin //sd_miso = 0 开始接收响应数据 if(sd_miso == 1'b0 && res_flag == 1'b0) begin res_flag <= 1'b1; res_data <= {res_data[46:0],sd_miso}; res_bit_cnt <= res_bit_cnt + 6'd1; res_en <= 1'b0; end else if(res_flag) begin //R1返回1个字节,R3 R7返回5个字节 //在这里统一按照6个字节来接收,多出的1个字节为NOP(8个时钟周期的延时) res_data <= {res_data[46:0],sd_miso}; res_bit_cnt <= res_bit_cnt + 6'd1; if(res_bit_cnt == 6'd47) begin res_flag <= 1'b0; res_bit_cnt <= 6'd0; res_en <= 1'b1; end end else res_en <= 1'b0; end end always @(posedge div_clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) cur_state <= st_idle; else cur_state <= next_state; end always @(*) begin next_state = st_idle; case(cur_state) st_idle : begin //上电至少等待74个同步时钟周期 if(poweron_cnt == POWER_ON_NUM) //默认状态,上电等待SD卡稳定 next_state = st_send_cmd0; else next_state = st_idle; end st_send_cmd0 : begin //发送软件复位命令 if(cmd_bit_cnt == 6'd47) next_state = st_wait_cmd0; else next_state = st_send_cmd0; end st_wait_cmd0 : begin //等待SD卡响应 if(res_en) begin //SD卡返回响应信号 if(res_data[47:40] == 8'h01) //SD卡返回复位成功 next_state = st_send_cmd8; else next_state = st_idle; end else if(over_time_en) //SD卡响应超时 next_state = st_idle; else next_state = st_wait_cmd0; end //发送主设备的电压范围,检测SD卡是否满足 st_send_cmd8 : begin if(res_en) begin //SD卡返回响应信号 //返回SD卡的操作电压,[19:16] = 4'b0001(2.7V~3.6V) if(res_data[19:16] == 4'b0001) next_state = st_send_cmd55; else next_state = st_idle; end else next_state = st_send_cmd8; end //告诉SD卡接下来的命令是应用相关命令 st_send_cmd55 : begin if(res_en) begin //SD卡返回响应信号 if(res_data[47:40] == 8'h01) //SD卡返回空闲状态 next_state = st_send_acmd41; else next_state = st_send_cmd55; end else next_state = st_send_cmd55; end st_send_acmd41 : begin //发送操作寄存器(OCR)内容 if(res_en) begin //SD卡返回响应信号 if(res_data[47:40] == 8'h00) //初始化完成信号 next_state = st_init_done; else next_state = st_send_cmd55; //初始化未完成,重新发起 end else next_state = st_send_acmd41; end st_init_done : next_state = st_init_done; //初始化完成 default : next_state = st_idle; endcase end //SD卡在div_clk_180deg(sd_clk)的上升沿锁存数据,因此在sd_clk的下降沿输出数据 //为了统一在alway块中使用上升沿触发,此处使用和sd_clk相位相差180度的时钟 always @(posedge div_clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin sd_cs <= 1'b1; sd_mosi <= 1'b1; sd_init_done <= 1'b0; cmd_bit_cnt <= 6'd0; over_time_cnt <= 16'd0; over_time_en <= 1'b0; end else begin over_time_en <= 1'b0; case(cur_state) st_idle : begin //默认状态,上电等待SD卡稳定 sd_cs <= 1'b1; //在等待上电稳定期间,sd_cs=1 sd_mosi <= 1'b1; //sd_mosi=1 end st_send_cmd0 : begin //发送CMD0软件复位命令 cmd_bit_cnt <= cmd_bit_cnt + 6'd1; sd_cs <= 1'b0; sd_mosi <= CMD0[6'd47 - cmd_bit_cnt]; //先发送CMD0命令高位 if(cmd_bit_cnt == 6'd47) cmd_bit_cnt <= 6'd0; end //在接收CMD0响应返回期间,片选CS拉低,进入SPI模式 st_wait_cmd0 : begin sd_mosi <= 1'b1; if(res_en) //SD卡返回响应信号 //接收完成之后再拉高,进入SPI模式 sd_cs <= 1'b1; over_time_cnt <= over_time_cnt + 1'b1; //超时计数器开始计数 //SD卡响应超时,重新发送软件复位命令 if(over_time_cnt == OVER_TIME_NUM - 1'b1) over_time_en <= 1'b1; if(over_time_en) over_time_cnt <= 16'd0; end st_send_cmd8 : begin //发送CMD8 if(cmd_bit_cnt<=6'd47) begin cmd_bit_cnt <= cmd_bit_cnt + 6'd1; sd_cs <= 1'b0; sd_mosi <= CMD8[6'd47 - cmd_bit_cnt]; //先发送CMD8命令高位 end else begin sd_mosi <= 1'b1; if(res_en) begin //SD卡返回响应信号 sd_cs <= 1'b1; cmd_bit_cnt <= 6'd0; end end end st_send_cmd55 : begin //发送CMD55 if(cmd_bit_cnt<=6'd47) begin cmd_bit_cnt <= cmd_bit_cnt + 6'd1; sd_cs <= 1'b0; sd_mosi <= CMD55[6'd47 - cmd_bit_cnt]; end else begin sd_mosi <= 1'b1; if(res_en) begin //SD卡返回响应信号 sd_cs <= 1'b1; cmd_bit_cnt <= 6'd0; end end end st_send_acmd41 : begin //发送ACMD41 if(cmd_bit_cnt <= 6'd47) begin cmd_bit_cnt <= cmd_bit_cnt + 6'd1; sd_cs <= 1'b0; sd_mosi <= ACMD41[6'd47 - cmd_bit_cnt]; end else begin sd_mosi <= 1'b1; if(res_en) begin //SD卡返回响应信号 sd_cs <= 1'b1; cmd_bit_cnt <= 6'd0; end end end st_init_done : begin //初始化完成 sd_init_done <= 1'b1; sd_cs <= 1'b1; sd_mosi <= 1'b1; end default : begin sd_cs <= 1'b1; sd_mosi <= 1'b1; end endcase end end endmodule
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3.2.2 写数据
SD卡的读写都采用50MHZ时钟。且一次写入量必须为512字节的整数倍，可以通过CMD16来配置单次写入长度。
写过程为：先发送CMD24写命令，等待SD卡返回响应数据0x00，然后最少等待8个时钟周期，开始发送数据头0xfe,发送完毕后开始发送512字节的数据，最后发送两个CRC校验位0xff.等待SD卡响应。响应完成后在等8个时钟周期进入空闲状态。
//****************************************Copyright (c)***********************************// //原子哥在线教学平台：www.yuanzige.com //技术支持：www.openedv.com //淘宝店铺：http://openedv.taobao.com //关注微信公众平台微信号："正点原子"，免费获取ZYNQ & FPGA & STM32 & LINUX资料。 //版权所有，盗版必究。 //Copyright(C) 正点原子 2018-2028 //All rights reserved //---------------------------------------------------------------------------------------- // File name: sd_write // Last modified Date: 2020/05/28 20:28:08 // Last Version: V1.0 // Descriptions: SD卡写模块 // //---------------------------------------------------------------------------------------- // Created by: 正点原子 // Created date: 2020/05/28 20:28:08 // Version: V1.0 // Descriptions: The original version // //---------------------------------------------------------------------------------------- //****************************************************************************************// module sd_write( input clk_ref , //时钟信号 input clk_ref_180deg, //时钟信号,与clk_ref相位相差180度 input rst_n , //复位信号,低电平有效 //SD卡接口 input sd_miso , //SD卡SPI串行输入数据信号 output reg sd_cs , //SD卡SPI片选信号 output reg sd_mosi , //SD卡SPI串行输出数据信号 //用户写接口 input wr_start_en , //开始写SD卡数据信号 input [31:0] wr_sec_addr , //写数据扇区地址 input [15:0] wr_data , //写数据 output reg wr_busy , //写数据忙信号 output reg wr_req //写数据请求信号 ); //parameter define parameter HEAD_BYTE = 8'hfe ; //数据头 //reg define reg wr_en_d0 ; //wr_start_en信号延时打拍 reg wr_en_d1 ; reg res_en ; //接收SD卡返回数据有效信号 reg [7:0] res_data ; //接收SD卡返回数据 reg res_flag ; //开始接收返回数据的标志 reg [5:0] res_bit_cnt ; //接收位数据计数器 reg [3:0] wr_ctrl_cnt ; //写控制计数器 reg [47:0] cmd_wr ; //写命令 reg [5:0] cmd_bit_cnt ; //写命令位计数器 reg [3:0] bit_cnt ; //写数据位计数器 reg [8:0] data_cnt ; //写入数据数量 reg [15:0] wr_data_t ; //寄存写入的数据，防止发生改变 reg detect_done_flag ; //检测写空闲信号的标志 reg [7:0] detect_data ; //检测到的数据 //wire define wire pos_wr_en ; //开始写SD卡数据信号的上升沿 //***************************************************** //** main code //***************************************************** assign pos_wr_en = (~wr_en_d1) & wr_en_d0; //wr_start_en信号延时打拍 always @(posedge clk_ref or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin wr_en_d0 <= 1'b0; wr_en_d1 <= 1'b0; end else begin wr_en_d0 <= wr_start_en; wr_en_d1 <= wr_en_d0; end end //接收sd卡返回的响应数据 //在clk_ref_180deg(sd_clk)的上升沿锁存数据 always @(posedge clk_ref_180deg or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin res_en <= 1'b0; res_data <= 8'd0; res_flag <= 1'b0; res_bit_cnt <= 6'd0; end else begin //sd_miso = 0 开始接收响应数据 if(sd_miso == 1'b0 && res_flag == 1'b0) begin res_flag <= 1'b1; res_data <= {res_data[6:0],sd_miso}; res_bit_cnt <= res_bit_cnt + 6'd1; res_en <= 1'b0; end else if(res_flag) begin res_data <= {res_data[6:0],sd_miso}; res_bit_cnt <= res_bit_cnt + 6'd1; if(res_bit_cnt == 6'd7) begin res_flag <= 1'b0; res_bit_cnt <= 6'd0; res_en <= 1'b1; end end else res_en <= 1'b0; end end //写完数据后检测SD卡是否空闲 always @(posedge clk_ref or negedge rst_n) begin if(!rst_n) detect_data <= 8'd0; else if(detect_done_flag) detect_data <= {detect_data[6:0],sd_miso}; else detect_data <= 8'd0; end //SD卡写入数据 always @(posedge clk_ref or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin sd_cs <= 1'b1; sd_mosi <= 1'b1; wr_ctrl_cnt <= 4'd0; wr_busy <= 1'b0; cmd_wr <= 48'd0; cmd_bit_cnt <= 6'd0; bit_cnt <= 4'd0; wr_data_t <= 16'd0; data_cnt <= 9'd0; wr_req <= 1'b0; detect_done_flag <= 1'b0; end else begin wr_req <= 1'b0; case(wr_ctrl_cnt) 4'd0 : begin wr_busy <= 1'b0; //写空闲 sd_cs <= 1'b1; sd_mosi <= 1'b1; if(pos_wr_en) begin cmd_wr <= {8'h58,wr_sec_addr,8'hff}; //写入单个命令块CMD24 wr_ctrl_cnt <= wr_ctrl_cnt + 4'd1; //控制计数器加1 //开始执行写入数据,拉高写忙信号 wr_busy <= 1'b1; end end 4'd1 : begin if(cmd_bit_cnt <= 6'd47) begin //开始按位发送写命令 cmd_bit_cnt <= cmd_bit_cnt + 6'd1; sd_cs <= 1'b0; sd_mosi <= cmd_wr[6'd47 - cmd_bit_cnt]; //先发送高字节 end else begin sd_mosi <= 1'b1; if(res_en) begin //SD卡响应 wr_ctrl_cnt <= wr_ctrl_cnt + 4'd1; //控制计数器加1 cmd_bit_cnt <= 6'd0; bit_cnt <= 4'd1; end end end 4'd2 : begin bit_cnt <= bit_cnt + 4'd1; //bit_cnt = 0~7 等待8个时钟周期 //bit_cnt = 8~15,写入命令头8'hfe if(bit_cnt>=4'd8 && bit_cnt <= 4'd15) begin sd_mosi <= HEAD_BYTE[4'd15-bit_cnt]; //先发送高字节 if(bit_cnt == 4'd14) wr_req <= 1'b1; //提前拉高写数据请求信号 else if(bit_cnt == 4'd15) wr_ctrl_cnt <= wr_ctrl_cnt + 4'd1; //控制计数器加1 end end 4'd3 : begin //写入数据 bit_cnt <= bit_cnt + 4'd1; if(bit_cnt == 4'd0) begin sd_mosi <= wr_data[4'd15-bit_cnt]; //先发送数据高位 wr_data_t <= wr_data; //寄存数据 end else sd_mosi <= wr_data_t[4'd15-bit_cnt]; //先发送数据高位 if((bit_cnt == 4'd14) && (data_cnt <= 9'd255)) wr_req <= 1'b1; if(bit_cnt == 4'd15) begin data_cnt <= data_cnt + 9'd1; //写入单个BLOCK共512个字节 = 256 * 16bit if(data_cnt == 9'd255) begin data_cnt <= 9'd0; //写入数据完成,控制计数器加1 wr_ctrl_cnt <= wr_ctrl_cnt + 4'd1; end end end //写入2个字节CRC校验,由于SPI模式下不检测校验值,此处写入两个字节的8'hff 4'd4 : begin bit_cnt <= bit_cnt + 4'd1; sd_mosi <= 1'b1; //crc写入完成,控制计数器加1 if(bit_cnt == 4'd15) wr_ctrl_cnt <= wr_ctrl_cnt + 4'd1; end 4'd5 : begin if(res_en) //SD卡响应 wr_ctrl_cnt <= wr_ctrl_cnt + 4'd1; end 4'd6 : begin //等待写完成 detect_done_flag <= 1'b1; //detect_data = 8'hff时,SD卡写入完成,进入空闲状态 if(detect_data == 8'hff) begin wr_ctrl_cnt <= wr_ctrl_cnt + 4'd1; detect_done_flag <= 1'b0; end end default : begin //进入空闲状态后,拉高片选信号,等待8个时钟周期 sd_cs <= 1'b1; wr_ctrl_cnt <= wr_ctrl_cnt + 4'd1; end endcase end end endmodule
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3.2.3 读数据
先发送CMD17读命令，然后等待SD卡响应0x00，响应接到后开始等待SD卡的数据头0xfe，解析到后就是512个时字节的数据，解析完成后就是2个CRC校验位0xff。接收完成等待8个时钟周期进入空闲状态。
//****************************************Copyright (c)***********************************// //原子哥在线教学平台：www.yuanzige.com //技术支持：www.openedv.com //淘宝店铺：http://openedv.taobao.com //关注微信公众平台微信号："正点原子"，免费获取ZYNQ & FPGA & STM32 & LINUX资料。 //版权所有，盗版必究。 //Copyright(C) 正点原子 2018-2028 //All rights reserved //---------------------------------------------------------------------------------------- // File name: sd_read // Last modified Date: 2020/05/28 20:28:08 // Last Version: V1.0 // Descriptions: SD卡读模块 // //---------------------------------------------------------------------------------------- // Created by: 正点原子 // Created date: 2020/05/28 20:28:08 // Version: V1.0 // Descriptions: The original version // //---------------------------------------------------------------------------------------- //****************************************************************************************// module sd_read( input clk_ref , //时钟信号 input clk_ref_180deg, //时钟信号,与clk_ref相位相差180度 input rst_n , //复位信号,低电平有效 //SD卡接口 input sd_miso , //SD卡SPI串行输入数据信号 output reg sd_cs , //SD卡SPI片选信号 output reg sd_mosi , //SD卡SPI串行输出数据信号 //用户读接口 input rd_start_en , //开始读SD卡数据信号 input [31:0] rd_sec_addr , //读数据扇区地址 output reg rd_busy , //读数据忙信号 output reg rd_val_en , //读数据有效信号 output reg [15:0] rd_val_data //读数据 ); //reg define reg rd_en_d0 ; //rd_start_en信号延时打拍 reg rd_en_d1 ; reg res_en ; //接收SD卡返回数据有效信号 reg [7:0] res_data ; //接收SD卡返回数据 reg res_flag ; //开始接收返回数据的标志 reg [5:0] res_bit_cnt ; //接收位数据计数器 reg rx_en_t ; //接收SD卡数据使能信号 reg [15:0] rx_data_t ; //接收SD卡数据 reg rx_flag ; //开始接收的标志 reg [3:0] rx_bit_cnt ; //接收数据位计数器 reg [8:0] rx_data_cnt ; //接收的数据个数计数器 reg rx_finish_en ; //接收完成使能信号 reg [3:0] rd_ctrl_cnt ; //读控制计数器 reg [47:0] cmd_rd ; //读命令 reg [5:0] cmd_bit_cnt ; //读命令位计数器 reg rd_data_flag ; //准备读取数据的标志 //wire define wire pos_rd_en ; //开始读SD卡数据信号的上升沿 //***************************************************** //** main code //***************************************************** assign pos_rd_en = (~rd_en_d1) & rd_en_d0; //rd_start_en信号延时打拍 always @(posedge clk_ref or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin rd_en_d0 <= 1'b0; rd_en_d1 <= 1'b0; end else begin rd_en_d0 <= rd_start_en; rd_en_d1 <= rd_en_d0; end end //接收sd卡返回的响应数据 //在clk_ref_180deg(sd_clk)的上升沿锁存数据 always @(posedge clk_ref_180deg or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin res_en <= 1'b0; res_data <= 8'd0; res_flag <= 1'b0; res_bit_cnt <= 6'd0; end else begin //sd_miso = 0 开始接收响应数据 if(sd_miso == 1'b0 && res_flag == 1'b0) begin res_flag <= 1'b1; res_data <= {res_data[6:0],sd_miso}; res_bit_cnt <= res_bit_cnt + 6'd1; res_en <= 1'b0; end else if(res_flag) begin res_data <= {res_data[6:0],sd_miso}; res_bit_cnt <= res_bit_cnt + 6'd1; if(res_bit_cnt == 6'd7) begin res_flag <= 1'b0; res_bit_cnt <= 6'd0; res_en <= 1'b1; end end else res_en <= 1'b0; end end //接收SD卡有效数据 //在clk_ref_180deg(sd_clk)的上升沿锁存数据 always @(posedge clk_ref_180deg or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin rx_en_t <= 1'b0; rx_data_t <= 16'd0; rx_flag <= 1'b0; rx_bit_cnt <= 4'd0; rx_data_cnt <= 9'd0; rx_finish_en <= 1'b0; end else begin rx_en_t <= 1'b0; rx_finish_en <= 1'b0; //数据头0xfe 8'b1111_1110，所以检测0为起始位 if(rd_data_flag && sd_miso == 1'b0 && rx_flag == 1'b0) rx_flag <= 1'b1; else if(rx_flag) begin rx_bit_cnt <= rx_bit_cnt + 4'd1; rx_data_t <= {rx_data_t[14:0],sd_miso}; if(rx_bit_cnt == 4'd15) begin rx_data_cnt <= rx_data_cnt + 9'd1; //接收单个BLOCK共512个字节 = 256 * 16bit if(rx_data_cnt <= 9'd255) rx_en_t <= 1'b1; else if(rx_data_cnt == 9'd257) begin //接收两个字节的CRC校验值 rx_flag <= 1'b0; rx_finish_en <= 1'b1; //数据接收完成 rx_data_cnt <= 9'd0; rx_bit_cnt <= 4'd0; end end end else rx_data_t <= 16'd0; end end //寄存输出数据有效信号和数据 always @(posedge clk_ref or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin rd_val_en <= 1'b0; rd_val_data <= 16'd0; end else begin if(rx_en_t) begin rd_val_en <= 1'b1; rd_val_data <= rx_data_t; end else rd_val_en <= 1'b0; end end //读命令 always @(posedge clk_ref or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin sd_cs <= 1'b1; sd_mosi <= 1'b1; rd_ctrl_cnt <= 4'd0; cmd_rd <= 48'd0; cmd_bit_cnt <= 6'd0; rd_busy <= 1'b0; rd_data_flag <= 1'b0; end else begin case(rd_ctrl_cnt) 4'd0 : begin rd_busy <= 1'b0; sd_cs <= 1'b1; sd_mosi <= 1'b1; if(pos_rd_en) begin cmd_rd <= {8'h51,rd_sec_addr,8'hff}; //写入单个命令块CMD17 rd_ctrl_cnt <= rd_ctrl_cnt + 4'd1; //控制计数器加1 //开始执行读取数据,拉高读忙信号 rd_busy <= 1'b1; end end 4'd1 : begin if(cmd_bit_cnt <= 6'd47) begin //开始按位发送读命令 cmd_bit_cnt <= cmd_bit_cnt + 6'd1; sd_cs <= 1'b0; sd_mosi <= cmd_rd[6'd47 - cmd_bit_cnt]; //先发送高字节 end else begin sd_mosi <= 1'b1; if(res_en) begin //SD卡响应 rd_ctrl_cnt <= rd_ctrl_cnt + 4'd1; //控制计数器加1 cmd_bit_cnt <= 6'd0; end end end 4'd2 : begin //拉高rd_data_flag信号,准备接收数据 rd_data_flag <= 1'b1; if(rx_finish_en) begin //数据接收完成 rd_ctrl_cnt <= rd_ctrl_cnt + 4'd1; rd_data_flag <= 1'b0; sd_cs <= 1'b1; end end default : begin //进入空闲状态后,拉高片选信号,等待8个时钟周期 sd_cs <= 1'b1; rd_ctrl_cnt <= rd_ctrl_cnt + 4'd1; end endcase end end endmodule
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