TF卡(MicroSD)测试试验设计Verilog代码VIVADO ARTIX-7开发板

名称：TF卡(MicroSD)测试试验设计Verilog代码VIVADO? ARTIX-7开发板

软件：VIVADO

语言：Verilog

代码功能：

TF卡(MicroSD)测试试验

TF卡写入，读出，并通过led显示读出结果

FPGA代码Verilog/VHDL代码资源下载：www.hdlcode.com

本代码已在ARTIX-7开发板验证，ARTIX-7开发板如下，其他开发板可以修改管脚适配：

设计文档：

TF卡读写例程

1 实验简介

TF卡，又叫MicroSD卡，由SanDisk（闪迪）公司发明，主要用于移动电话。MicroSD卡是一种极细小的快闪存储器卡，其格式源自SanDisk创造，原本这种记忆卡称为T-Flash，及后改称为TransFlash；而重新命名为MicroSD的原因是因为被SD协会(SDA)采立。另一些被SDA采立的记忆卡包括MiniSD和SD卡。其主要应用于移动电话，但因它的体积微小和储存容量的不断提高，已经使用于GPS设备、便携式音乐播放器和一些快闪存储器盘中。它的体积为15mmx11mmx1mm，差不多相等于手指甲的大小，是现时最细小的记忆卡。它也能通过SD转接卡来接驳于SD卡插槽中使用。现时MicroSD卡提供128MB、256MB、512MB、1G、2G、4G、8G、16G、32G、64G、128G的容量(MWC2014世界移动通信大会期间，SanDisk打破了储存卡最高64GB容量的传统，正式发布了一款容量高达128GB的MicroSDXC储存卡。

本实验主要是练习对SD卡的扇区进行读写，通常TF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。

2 实验过程

2.1硬件描述

开发板上装有一个MicroSD卡座，FPGA通过SPI数据总线访问MicroSD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卡的协议

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卡命令包是一个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。

SD卡2.0版的初始化步骤

a.上电后延时至少74clock，等待SD卡内部操作完成

b.片选CS低电平选中SD卡

c.发送CMD0，需要返回0x01，进入Idle状态

d.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

e.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）

f. 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

3 程序设计

下面主要对SD_card_top及其子程序进行介绍和说明。SD_card_top包含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：

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ACMD41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，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。

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88个周期的时钟，数据块的命令和读写的状态机如下。

其管脚定义如下：

4 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1，并写入了SD卡，掉电启动程序，可以看到直接显示更新后的数据。

部分代码展示:

//?Copyright?1986-2017?Xilinx,?Inc.?All?Rights?Reserved.
//?--------------------------------------------------------------------------------
//?Tool?Version:?Vivado?v.2017.4?(win64)?Build?2086221?Fri?Dec?15?20:55:39?MST?2017
//?Date????????:?Fri?Mar?29?09:53:35?2019
//?Host????????:?LAPTOP-NMQVIF8I?running?64-bit?major?release??(build?9200)
//?Command?????:?write_verilog?-force?-mode?synth_stub
//???????????????D:/xilinx_work/a7_prj_tst/a7_prj17_tst/07_sd_test/sd_test/sd_test.srcs/sources_1/ip/ila_0/ila_0_stub.v
//?Design??????:?ila_0
//?Purpose?????:?Stub?declaration?of?top-level?module?interface
//?Device??????:?xc7a50tcsg324-1
//?--------------------------------------------------------------------------------

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