Verilog：基于FPGA实现SD NAND FLASH的SPI协议读写

在此介绍的是使用FPGA实现SD NAND FLASH的读写操作，以雷龙发展提供的CS创世SD NAND FLASH样品为例，分别讲解电路连接、读写时序与仿真和实验结果。

使用FPGA讲解SD NAND FLASH的文章网上也有很多比较详实的内容，本文的部分思路也是参考了其他博主的博客思路。

1 FLASH背景介绍

简介
Flash是近些年应用最广、速度最快的只读存储器，原理是从 EEPROM 基础上改进发展来的，特点是擦除和编程速度快，因此得名为闪速（或闪烁）存储器，简称闪存。

NOR Flash 和 NAND Flash 是现在市场上两种主要的闪存技术。Intel于1988年首先开发出 NOR Flash 技术,彻底改变了原先由 EPROM 和 EEPROM 一统天下的局面。紧接着,1989年,东芝公司发表了 NAND Flash 结构,后者的单元电路尺寸几乎只是 NOR 器件的一半,可以在给定的芯片尺寸内提供更高的容量,也就相应地降低了价格。
NOR Flash 的特点是以字节为单位随机存取。这样，应用程序可以直接在 Flash中执行，不必再把程序代码预先读到 RAM 中。NOR Flash的接口一般以SPI为主，与通常的扩展存储器一样，可以直接连接到处理器的外围总线上。
NAND Flash应该是目前最热门的存储芯片了。因为我们生活中经常使用的电子产品都会涉及到它。比如你买手机，肯定会考虑64GB，还是256GB？买笔记本是买256GB，还是512GB容量的硬盘呢？（目前电脑大部分采用了基于 NAND Flash 产品的固态硬盘）。
NAND Flash 主要分为SLC，MLC，TLC，3D TLC ，3DQLC等，随时科技的发展和大众的需求，单位面积内的存储容量越来越大。SLC是指单个存储单元中，能容纳1bit 代表2种状态，0或者1. MLC 则是指单个存储单元中，能容纳2bit，代表4种状态 ，00,01，10,11。 TLC 则是指单个存储单元中，能容纳3bit，代表8种状态，000,001,010，011,100,101,110,111。最开始整个存储单元是2D展开的，也就是平面的，随着需要在单位空间内容纳更多的信息，就开始类似盖楼房一样，在3D也就是立体的方面来发展了。

如果在产品中选择nor flash 还是NAND FLASH，更多的时候是从容量角度来考量，如果存储的内容大于128Mbit 就选择NAND Flash ，小于128Mbit就选择 Nor flash。Nor flash受限于自己的工艺，大于128Mbit的容量，价格就会比128MB SLC NANDFLASH的价格还要贵。

未来发展
当前，NAND flash正在从 2D 发展到 3D。对于 2D NAND flash，如果在同一区域实现更多的单元数量，形成更小的工作区和栅级，便能增大存储容量。直至 2010 年初，2D NAND flash中的扩展一直是这项技术的主要焦点所在；然而，由于内部结构的限制，且储存数据会随时间推移而丢失导致使用寿命缩短，2D的技术已无法再实现扩展。
因此，3D NAND flash逐渐取而代之，成为业界关注焦点，现在所有 NAND 制造商都在开发和制造 3D NAND flash产品。
在 3D NAND flash 的结构中，存储容量会随着三维叠层中堆叠层数的增加而变大，类似盖楼房，一层一层叠加上去。3D NAND flash 使用了堆叠多层氮氧化物的方法，形成一个被称为“塞子”的垂直深孔，在其中形成一个由氧化物-氮化物-氧化物制成的存储设备。通过这种方法，仅需少量工艺即可同时形成大量单元。在 3D NAND flash 中，电流通过位于圆柱单元中心的多晶硅通道，便能根据存储在氮化硅中的电荷类型实现存储编程和擦除信息。虽然2D NAND flash 技术发展的目标是实现形成较小的单元， 3D NAND flash 的核心技术却是实现更多层数的三维堆叠。

由于NAND FLASH在大容量应用中的便利性，因此作为今天介绍的主角~
　　什么是SD NAND呢（以下省略FLASH）？下面的内容是从雷龙发展官网的介绍中得到：
　　SD NAND俗称贴片式TF卡，尽管与TF卡名称类似，但是有较大的区别：

相比常见的TF卡，SD NAND是专门为内置存储进行设计，焊接在PCB板上以供工业级产品的应用。因此对品质稳定性、一致性、以及尺寸都有较高的要求。

2 样品申请

本文所使用的CS创世SD NAND是从深圳雷龙发展申请获得，可以在官网中最上面找到申请样品的入口：

雷龙发展有限公司创立于2008年，专注NAND Flash领域13年。创始人均为步步高/华为技术背景出身。如果有技术问题也可以和其公司人员进行沟通，相关的工作人员非常专业和热心。

3 电路结构与接口协议

3.1 SD NAND

本文所使用的产品是CSNP4GCR01-AMW，是雷龙的第二代产品，产品如下图所示：

数据手册可以在立创商城进行下载，其封装与连接的电路原理参考图如下图所示：

芯片共包含8个引脚，包括4根数据线（6、7、1、2）；2根电源线（4、8）；1根时钟线（3）；1根命令控制线（5）
　　手册中提供了SD NAND的两种使用模式，分别为SD MODE 以及 SPI MODE。他们所对应的引脚定义，如下图所示：

对于两种模式的切换，官方给出了初始化的方式。下文在代码的时序部分也会涉及到相关内容。
　　在对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方案。因为在该模式下，同只需要通过四根线就是可以完成所有的数据交换，可以为我们节省出宝贵的FPGA I/O资源。下图给出了SPI一对一通信时，主设备与从设备之间的连接关系。

因此本文主要介绍SPI MODE下各个引脚的功能：
　
　　确定了通讯模式后，也就便于我们后文中，利用这种通讯模式按照SD卡的读写时序进行读写操作。

3.2 SD NAND测试板

单独的SD NAND不便于我们使用FPGA进行读写测试，好在官方提供了测试板，如下图所示：

有了它就可以轻松实现SD NAND与我们常见的FPGA开发板上的Micro SD插槽进行连接与测试了。
　　适用产品:LGA8，6x8mm 封装的SD NAND产品。
　　测试板尺寸:长度6.22厘米，宽度2.49厘米，接口长度2.53厘米。
　　使用方法:将芯片焊接至测试板上，可在原有的Micro SD卡座上直接调试和测试。
　　准备工具:热风枪，烙铁，锡膏，镊子。
　　焊接方式: 先用烙铁将芯片的8个PIN脚上锡，中间的一个PIN脚不需要上锡保持NC即可。再将接板板上，对应芯片的8个PIN上锡。
　　最后用镊子将芯片放到PCB上，热风枪温度调至350℃ 在芯片表面均匀加热即可焊接。
　　
其它事项:测试板上其它元器件无需理会，直接将芯片焊接在测试板上即可当SD卡一样调试。
　　焊接好后，可以将转接板插入到读卡器，再将读卡器连接到电脑上看看是否能正确识别到容量，通过这个方式来判断芯片是否已经焊接正常。

3.3 FPGA开发板

本文所使用的是黑金的AX301开发板，上面装有一个 Micro SD 卡座， FPGA 通过 SPI 数据总线访问 Micro SD 卡,SD 卡座和 FPGA 的硬件电路连接如下：

借由硬件电路的连接，FPGA可以直接与我们的SD NAND进行通信了。
　　至此，我们已经实现了SD NANDSPI通信方式方案的确定以及基于此的硬件电路连接，下一步就是根据SD卡的读写时序讲通信方式初始化为SPI模式，并按照SD卡协议进行读写操作。

4 SD卡协议与时序流程

4.1 SD卡协议

以下内容来自黑金的实验手册：
　　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。
　　对于详细的SD卡协议内容，可以参考传送门中的相关内容，给出了比较具体的解释。

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。

在进行SD NAND的SPI模式读写操作时，主要使用到了以下几种SD卡命令，下面的表格进行简单介绍，这里可以找到完整版：

4.2 SD卡2.0版本初始化步骤

上电后延时至少 74clock，等待 SD 卡内部操作完成
　　片选 CS 低电平选中 SD 卡
　　发送 CMD0，需要返回 0x01，进入 Idle 状态
　　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
　　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）
　　CS 拉高

4.3 SD卡的读步骤

发送 CMD17（单块）或 CMD18（多块）读命令，返回 0X00
　　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）

4.4 SD卡的写步骤

发送 CMD24（单块）或 CMD25（多块）写命令，返回 0X00
　　发送数据开始令牌 fe（或 fc） +正式数据 512Bytes + CRC 校验 2Bytes

5 模块代码

本代码所实现的功能，是基于黑金AX301B，实现对SD NAND FLASH的数据写入与读取，并显示在开发板的数码管上。当按下开发板上的按键时，会自动将数据加一操作，并进行同步显示。
　　前文介绍的是SD NAND的协议以及初始化、读写操作的流程，下面介绍代码的组成部分，整个工程主要由以下部分模块构成：
　　sd_card_test（top模块）
　　ax_debounce:ax_debounce_m0（按键消抖模块）
　　sd_card_top:sd_card_top_m0（SD卡top模块）
　　sd_card_cmd:sd_card_cmd_m0（SD卡指令）
　　sd_card_sec_read_write:sd_card_sec_read_write_m0（SD卡读写）
　　spi_master:spi_master_m0（SPI一个字节读写）
　　seg_decoder:seg_decoder_m0（数码管控制）
　　seg_decoder:seg_decoder_m1（数码管控制）
　　seg_scan:seg_scan_m0（数码管控制）
　　下面主要介绍上述四个加粗的模块以及其功能

5.1 sd_card_top

本模块是SD card的top模块，用来实现不同子模块之间的连接。

//
//                                                                              //
//                                                                              //
//  Author: meisq                                                               //
//          msq@qq.com                                                          //
//          ALINX(shanghai) Technology Co.,Ltd                                  //
//          heijin                                                              //
//     WEB: http://www.alinx.cn/                                                //
//     BBS: http://www.heijin.org/                                              //
//                                                                              //
//
//                                                                              //
// Copyright (c) 2017,ALINX(shanghai) Technology Co.,Ltd                        //
//                    All rights reserved                                       //
//                                                                              //
// This source file may be used and distributed without restriction provided    //
// that this copyright statement is not removed from the file and that any      //
// derivative work contains the original copyright notice and the associated    //
// disclaimer.                                                                  //
//                                                                              //
//
 
//==========================================================================
//  Revision History:
//  Date          By            Revision    Change Description
//--------------------------------------------------------------------------
//  2017/6/21    meisq         1.0         Original
//*************************************************************************/
module sd_card_top
#(
parameter  SPI_LOW_SPEED_DIV = 248,         // SD card low speed mode frequency division parameter,spi clk speed = clk speed /((SPI_LOW_SPEED_DIV + 2) * 2 )
parameter  SPI_HIGH_SPEED_DIV = 0           // SD card high speed mode frequency division parameter,spi clk speed = clk speed /((SPI_HIGH_SPEED_DIV + 2) * 2 )
)
(
input            clk,
input            rst,
output           SD_nCS,                    //SD card chip select (SPI mode)
output           SD_DCLK,                   //SD card clock
output           SD_MOSI,                   //SD card controller data output
input            SD_MISO,                   //SD card controller data input
output           sd_init_done,              //SD card initialization is complete
input            sd_sec_read,               //SD card sector read
input[31:0]      sd_sec_read_addr,          //SD card sector read address
output[7:0]      sd_sec_read_data,          //SD card sector read data
output           sd_sec_read_data_valid,    //SD card sector read data valid
output           sd_sec_read_end,           //SD card sector read end
input            sd_sec_write,              //SD card sector write
input[31:0]      sd_sec_write_addr,         //SD card sector write address
input[7:0]       sd_sec_write_data,         //SD card sector write data
output           sd_sec_write_data_req,     //SD card sector write data next clock is valid
output           sd_sec_write_end           //SD card sector write end
);
wire[15:0]           spi_clk_div;               //SPI module clock division parameter
wire                 cmd_req;                   //SD card command request
wire                 cmd_req_ack;               //SD card command request response
wire                 cmd_req_error;             //SD card command request error
wire[47:0]           cmd;                       //SD card command
wire[7:0]            cmd_r1;                    //SD card expect response
wire[15:0]           cmd_data_len;              //SD card command read data length
wire                 block_read_req;            //SD card sector data read request
wire                 block_read_valid;          //SD card sector data read data valid
wire[7:0]            block_read_data;           //SD card sector data read data
wire                 block_read_req_ack;        //SD card sector data read response
wire                 block_write_req;           //SD card sector data write request
wire[7:0]            block_write_data;          //SD card sector data write data next clock is valid
wire                 block_write_data_rd;       //SD card sector data write data
wire                 block_write_req_ack;       //SD card sector data write response
 
wire                 nCS_ctrl;                  //SPI module chip select control
wire                 spi_wr_req;                //SPI module data sending request
wire                 spi_wr_ack;                //SPI module data request response
wire[7:0]            spi_data_in;               //SPI module send data
wire[7:0]            spi_data_out;              //SPI module data returned
wire[15:0]           clk_div;
sd_card_sec_read_write
#(
.SPI_LOW_SPEED_DIV(SPI_LOW_SPEED_DIV),
.SPI_HIGH_SPEED_DIV(SPI_HIGH_SPEED_DIV)
)
sd_card_sec_read_write_m0(
.clk                            (clk                    ),
.rst                            (rst                    ),
.sd_init_done                   (sd_init_done           ),
.sd_sec_read                    (sd_sec_read            ),
.sd_sec_read_addr               (sd_sec_read_addr       ),
.sd_sec_read_data               (sd_sec_read_data       ),
.sd_sec_read_data_valid         (sd_sec_read_data_valid ),
.sd_sec_read_end                (sd_sec_read_end        ),
.sd_sec_write                   (sd_sec_write           ),
.sd_sec_write_addr              (sd_sec_write_addr      ),
.sd_sec_write_data              (sd_sec_write_data      ),
.sd_sec_write_data_req          (sd_sec_write_data_req  ),
.sd_sec_write_end               (sd_sec_write_end       ),
.spi_clk_div                    (spi_clk_div            ),
.cmd_req                        (cmd_req                ),
.cmd_req_ack                    (cmd_req_ack            ),
.cmd_req_error                  (cmd_req_error          ),
.cmd                            (cmd                    ),
.cmd_r1                         (cmd_r1                 ),
.cmd_data_len                   (cmd_data_len           ),
.block_read_req                 (block_read_req         ),
.block_read_valid               (block_read_valid       ),
.block_read_data                (block_read_data        ),
.block_read_req_ack             (block_read_req_ack     ),
.block_write_req                (block_write_req        ),
.block_write_data               (block_write_data       ),
.block_write_data_rd            (block_write_data_rd    ),
.block_write_req_ack            (block_write_req_ack    )
);
 
sd_card_cmd sd_card_cmd_m0(
.sys_clk                        (clk                    ),
.rst                            (rst                    ),
.spi_clk_div                    (spi_clk_div            ),
.cmd_req                        (cmd_req                ),
.cmd_req_ack                    (cmd_req_ack            ),
.cmd_req_error                  (cmd_req_error          ),
.cmd                            (cmd                    ),
.cmd_r1                         (cmd_r1                 ),
.cmd_data_len                   (cmd_data_len           ),
.block_read_req                 (block_read_req         ),
.block_read_req_ack             (block_read_req_ack     ),
.block_read_data                (block_read_data        ),
.block_read_valid               (block_read_valid       ),
.block_write_req                (block_write_req        ),
.block_write_data               (block_write_data       ),
.block_write_data_rd            (block_write_data_rd    ),
.block_write_req_ack            (block_write_req_ack    ),
.nCS_ctrl                       (nCS_ctrl               ),
.clk_div                        (clk_div                ),
.spi_wr_req                     (spi_wr_req             ),
.spi_wr_ack                     (spi_wr_ack             ),
.spi_data_in                    (spi_data_in            ),
.spi_data_out                   (spi_data_out           )
 
);
 
spi_master spi_master_m0(
.sys_clk                        (clk                    ),
.rst                            (rst                    ),
.nCS                            (SD_nCS                 ),
.DCLK                           (SD_DCLK                ),
.MOSI                           (SD_MOSI                ),
.MISO                           (SD_MISO                ),
.clk_div                        (clk_div                ),
.CPOL                           (1'b1                   ),
.CPHA                           (1'b1                   ),
.nCS_ctrl                       (nCS_ctrl               ),
.wr_req                         (spi_wr_req             ),
.wr_ack                         (spi_wr_ack             ),
.data_in                        (spi_data_in            ),
.data_out                       (spi_data_out           )
);
endmodule

5.2 sd_card_cmd

sd_card_cmd 模块主要实验 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
　　块的读写，状态机如下：

代码如下：

//
//                                                                              //
//                                                                              //
//  Author: meisq                                                               //
//          msq@qq.com                                                          //
//          ALINX(shanghai) Technology Co.,Ltd                                  //
//          heijin                                                              //
//     WEB: http://www.alinx.cn/                                                //
//     BBS: http://www.heijin.org/                                              //
//                                                                              //
//
//                                                                              //
// Copyright (c) 2017,ALINX(shanghai) Technology Co.,Ltd                        //
//                    All rights reserved                                       //
//                                                                              //
// This source file may be used and distributed without restriction provided    //
// that this copyright statement is not removed from the file and that any      //
// derivative work contains the original copyright notice and the associated    //
// disclaimer.                                                                  //
//                                                                              //
//
 
//==========================================================================
//  Revision History:
//  Date          By            Revision    Change Description
//-----------------------------------------------