SD卡的FPGA实现
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
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// 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
//
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//****************************************************************************************//
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
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。
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// File name: sd_write
// Last modified Date: 2020/05/28 20:28:08
// Last Version: V1.0
// Descriptions: SD卡写模块
//
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// Created by: 正点原子
// Created date: 2020/05/28 20:28:08
// Version: V1.0
// Descriptions: The original version
//
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//****************************************************************************************//
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
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。
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// File name: sd_read
// Last modified Date: 2020/05/28 20:28:08
// Last Version: V1.0
// Descriptions: SD卡读模块
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// Created by: 正点原子
// Created date: 2020/05/28 20:28:08
// Version: V1.0
// Descriptions: The original version
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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
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//** main code
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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