基于Zynq FPGA对雷龙SD NAND的测试

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一、SD NAND特征

1.1 SD卡简介

  雷龙的SD NAND有很多型号，在测试中使用的是CSNP4GCR01-AWM与CSNP32GCR01-AOW。芯片是基于NAND FLASH和 SD控制器实现的SD卡。具有强大的坏块管理和纠错功能，并且在意外掉电的情况下同样能保证数据的安全。
  其特点如下：

• 接口支持SD2.0 2线或4线；
• 电压支持：2.7V-3.6V；
• 默认模式:可变时钟速率0 - 25MHz，高达12.5 MB/s的接口速度(使用4条并行数据线)
• 高速模式:可变时钟速率0 - 50MHz，高达25 MB/s的接口速度(使用4条并行数据线)
• 工作温度：-40°C ~ +85°C
• 存储温度：-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
• SDNAND密码保护(CMD42 - LOCK_UNLOCK)
• 采用机械开关的写保护功能
• 内置写保护功能(永久和临时)
• 应用程序特定命令
• 舒适擦除机制

  该SD卡支持SDIO读写和SPI读写，最高读写速度可达25MB/s，实际读写速度要结合MCU和接口情况实测获得。通常在简单嵌入式系统并对读写速度要求不高的情况下，会使用SPI协议进行读写。但不管使用SDIO还是SPI都需要符合相关的协议规范，才能建立相应的文件系统；

1.2 SD卡Block图

  该SD卡封装为LGA-8；引脚分配与定义如下；

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二、SD卡样片

  与样片同时寄来的还有转接板，转接板将LGA-8封装的芯片转接至SD卡封装，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

  测试平台为 Xilinx 的Zynq 7020 FPGA芯片；
  板卡：Digilent Zybo Z7
  Vivado版本：2018.3
  文件系统：FATFS
  SD卡接口：SD2.0

3.1 测试流程

  本次测试主要针对4G和32G两个不同容量的SD卡，在Zynq FPGA上搭建SD卡读写回路，从而对SD卡读写速度进行测试，并检验读写一致性；
测试流程：
  进入测试程序前，首先会对SD卡初始化并初始化建立FATFS文件系统，随后进入测试SD卡测试程序，在测试程序中，会写入一定大小的文件，然后对写入文件的时间进行测量，得到写入时间；然后再将写入的文件读出，测量获得读出时间，并将读出数据与写入数据相比较，检测是否读写出错。
  通过写入时间、读出时间可计算得到写入速度、读出速度；将以上过程重复100次并打印报告。

3.2 SOC搭建

  硬件搭建框图如下，我们在本次系统中使用PS端的SDIO接口来驱动SD NAND芯片，并通过UART向PC打印报告；
  PL端的硬件搭建也很简单，只需一个Timer定时器来做时间测量；

  我们直接使用Zybo板卡文件创建一个工程，工程会将Zybo具有的硬件资源配置好；

  首先点击setting->IP->Repository->+；添加Timer IP核的路径，Timer IP核会在工程中给出；

  点击Create Block Design创建BD工程

  在创建的过程中添加Zynq 内核；
  由于我们使用了板卡文件，所以内核IP是配置好的，我们只需稍作修改即可，如果是其他板卡，则需要自行配置DDR等配置；
  双击内核IP，点击Clock Configuration->PL Fabric Clocks，将FCLK_CLK0的时钟频率修改为100Mhz
  添加TimerA IP；

  依次点击上方的自动设计，完成SOC搭建；

  点击BD设计，并创建顶层文件

  生成比特流文件；
  在生成比特流文件后，将其导入SDK；
  点击Export->Export Hardware，导出硬件；然后点击Launch SDK打开SDK进行软件设计；

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四、软件搭建

  在SDK中新建一个空白工程；
  点击file -> new -> Application project;
  在新建的过程中创建一个main.c文件，并在里面编写测试程序如下：
  在每次读写开始前，通过TimerA0_start()函数开始计时，在读写结束后可以通过TimerA0_stop()结束计时，从而测得消耗时间。
  相应的Timer驱动函数在user/TimerA_user.c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] = "Test.txt";
static char *SD_File;

char DestinationAddress[PACK_LEN] ;

char txt[1024];
char test_buffer[PACK_LEN];

void TimerA0_init()
{
    TimerA_reset(TimerA0);//reset timerA device
    TimerA_Set_Clock_Division(TimerA0,100);//divide clock as 100000000/100 = 1Mhz
    TimerA_Stop_Counter(TimerA0);//stop timerA
}

void TimerA0_start()
{
    TimerA_SetAs_CONTINUS_Mode(TimerA0);
}

void TimerA0_stop()
{
    TimerA_Stop_Counter(TimerA0);
}




uint32 SDCard_test()
{
    uint8 Res;
    uint32 NumBytesRead;
    uint32 NumBytesWritten;
    uint32 BuffCnt;
    uint8 work[FF_MAX_SS];
    uint32 take_time=0;
    uint32 speed = 0;
    uint32 test_time = 0;
    uint32 w_t=0;
    uint32 r_t=0;
    float wsum = 0;
    float rsum = 0;


    TCHAR *Path = "0:/";

    for(int i=0;i<PACK_LEN;i++)
    {
        test_buffer[i] = 'a';
    }

    Res = f_mount(&fatfs, Path, 0);

    if (Res != FR_OK) {
        return XST_FAILURE;
    }

    Res = f_mkfs(Path, FM_FAT32, 0, work, sizeof work);
    if (Res != FR_OK) {
        return XST_FAILURE;
    }

    SD_File = (char *)FileName;

    Res = f_open(&fil, SD_File, FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE | FA_READ);
    if (Res) {
        return XST_FAILURE;
    }

    Res = f_lseek(&fil, 0);
    if (Res) {
        return XST_FAILURE;
    }

    while(1)
    {
        TimerA_reset(TimerA0);
        TimerA0_start();
        Res = f_write(&fil, (const void*)test_buffer, PACK_LEN,
                &NumBytesWritten);
        TimerA0_stop();
        take_time = TimerA_Read_Counter_Register(TimerA0);
        w_t+=take_time;
        xil_printf("--------------------------------\n");
        xil_printf("take time:%d us\n",take_time);
        speed = PACK_LEN*(1000000/((float)(take_time)));
        sprintf(txt,"write speed:%.2f MB/s\n",(float)(speed)/1024/1024);
        wsum = wsum+speed;
        xil_printf(txt);
        xil_printf("--------------------------------\n");
        if (Res) {
            return XST_FAILURE;
        }

        Res = f_lseek(&fil, 0);
        if (Res) {
            return XST_FAILURE;
        }

        TimerA_reset(TimerA0);
        TimerA0_start();
        Res = f_read(&fil, (void*)DestinationAddress, PACK_LEN,
                &NumBytesRead);
        TimerA0_stop();
        take_time = TimerA_Read_Counter_Register(TimerA0);
        r_t+=take_time;
        xil_printf("--------------------------------\n");
        xil_printf("take time:%d us\n",take_time);
        speed = PACK_LEN*(1000000/((float)(take_time)));
        sprintf(txt,"read speed:%.2f MB/s\n",(float)(speed)/1024/1024);
        rsum = rsum+speed;
        xil_printf(txt);
        xil_printf("--------------------------------\n");
        if (Res) {
            return XST_FAILURE;
        }


        for(BuffCnt = 0; BuffCnt < PACK_LEN; BuffCnt++){
            if(test_buffer[BuffCnt] != DestinationAddress[BuffCnt]){
                xil_printf("%dno",BuffCnt);
                return XST_FAILURE;
            }
        }
        xil_printf("test num:%d data check right!\n",test_time+1);
        test_time++;
        if(test_time==100)
        {
            sprintf(txt,"Total write: %.2f KB,Take time:%.2f ms, Write speed:%.2f MB/s\n",PACK_LEN*100/1024.0,w_t/100.0/1000.0,wsum/100/1024/1024);
            xil_printf(txt);
            sprintf(txt,"Total read: %.2f KB,Take time:%.2f ms, Read speed:%.2f MB/s\n",PACK_LEN*100/1024.0,r_t/100.0/1000.0,rsum/100/1024/1024);
            xil_printf(txt);
            Res = f_close(&fil);
            if (Res) {
                return XST_FAILURE;
            }
            return 0;
        }
    }

}

int main(void)
{
    TimerA0_init();

    SDCard_test();
    xil_printf("finish");
    return 0;
}

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五、测试结果

  经测试，两种型号的芯片读写速度如下图表所示。
  其SD NAND的读写速度随着读写数据量的增加而增加，并且读速率大于写速率，这符合SD卡的特性；
  对比两种型号SD NAND芯片，发现CSNP32GCR01-AOW型号具有更高的读写速度；

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六、总结

  本来打算拿这些样片去试试信息安全领域是否有所应用，但发现其似乎内置了复位或初始化，导致无法提取上电时的不确定值，故无法提取该SD NAND的物理不可克隆特性，所以这方面的测试无法进行；
  对于芯片正常读写的测试结果，还是很让人满意的，芯片的价格也很合理。并且LGA-8封装更适合无卡槽的嵌入式开发板设计，在一定的应用领域有着简化硬件设计、减小硬件面积的功能。
  最后贴上测试工程的链接，还迎复现实验:

https://gitee.com/gewenjie_host/sd_-nand_-zynq700_test