1 SD/MMC卡控制器工作原理

　　SD（Secure Digital）卡和MMC（Multi Media Card）卡是市面上常見的兩種數(shù)據(jù)存儲卡,。SD卡向下兼容MMC卡。

　　兩者基本特性相同,，只是在數(shù)據(jù)接口以及傳輸模式上有一些區(qū)別：SD卡的數(shù)據(jù)線為4根,，而MMC卡只有1根；SD卡支持安全性保護,；而MMC卡支持比特流傳輸（不限長傳輸,，即必須接受到停止命令時才停止傳輸）。

　　控制器就是通過SD/MMC總線對SD/MMC卡進行初始化,，讀,，寫等一系列操作。其總線包括時鐘線CLK,，命令線CMD,數(shù)據(jù)線DAT3-DAT0（MMC卡只有DAT0）等,。上電后，控制器必須按一定的總線協(xié)議傳輸命令給卡,，使其初始化,。總線上一共有三種數(shù)據(jù)格式：命令包,，響應(yīng)包,，數(shù)據(jù)包。由于在傳輸中數(shù)據(jù)和命令均有可能出錯,，命令帶有7位的CRC校驗碼,，數(shù)據(jù)帶有16位的CRC校驗碼。

　　控制器對卡進行讀操作時,，將接收到的串行數(shù)據(jù)（可能是比特流,，也可能是多塊）轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，存入FIFO.寫操作也是相同的,，控制器將并行數(shù)據(jù)從FIFO里面取出,，串行發(fā)出。

　　SD/MMC 卡的工作時鐘來源于控制器，對卡的命令或數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗胁僮骶c該時鐘同步,。該時鐘可以通過控制器進行配置,，以適應(yīng)不同工作狀態(tài)中卡正常工作所需的不同時鐘頻率。需要注意的是,，SD 卡的最大工作頻率是25Mhz,，MMC 卡的最大工作頻率是20Mhz.

　　總之，控制器不僅要輸出合適的工作時鐘,，還要完成對命令/響應(yīng)以及數(shù)據(jù)讀寫的正常工作,，并針對命令和數(shù)據(jù)進行CRC 校驗，中斷的及時產(chǎn)生和清除,。

　　2 控制器設(shè)計與實現(xiàn)

　　2.1 模塊劃分

　　在整個SOC 中,，我們這片TD 基帶芯片采用的是ARM926EJ-S 內(nèi)核，系統(tǒng)架構(gòu)為AMBA 總線,。在設(shè)計中,，將SD/MMC 卡控制器作為APB 的SLAVE 掛在APB 總線上，ARM 通過APB 總線來訪問和控制該模塊,。本模塊主要分為接口模塊,，CMD 控制模塊及DATA 控制模塊三部分。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示,。

圖1 SD/MMC 控制器結(jié)構(gòu)

　　接口模塊實現(xiàn)與ARM 的APB 總線相連接,，通過該模塊，ARM 可以對相應(yīng)寄存器進行讀寫,，從而實現(xiàn)對本模塊和外部存儲卡的控制,。其讀寫時序按照APB 總線讀寫時序，具體見文獻,。

　　CMD 控制模塊主要發(fā)送和接收CMD 線上的信號,。控制器發(fā)送給卡的命令長度固定為48bit,，而從卡接收到的響應(yīng)長度不固定,，有短應(yīng)答（48bit）和長應(yīng)答（136bit）之分。

　　其中,，包含CRC7 的子模塊,，不管是命令還是響應(yīng)，均要用到CRC 校驗,。

　　DATA 控制模塊主要是通過RXDATA 數(shù)據(jù)線接收數(shù)據(jù),，并通過TXDATA 發(fā)送數(shù)據(jù)。主要的數(shù)據(jù)傳輸方式有兩種：比特流數(shù)據(jù)傳輸和多塊數(shù)據(jù)傳輸,，另外,，該控制器還支持無響應(yīng)包數(shù)據(jù)傳輸,。為確保傳輸?shù)恼_,，包含了CRC16 校驗的子模塊,。

2.2 CMD控制模塊的設(shè)計

　　由于SD/MMC 卡的操作命令不一致，在模塊中并沒有對命令作譯碼,，而是通過軟件來設(shè)置命令的類型,。單塊（signalblock data）讀數(shù)據(jù)命令（CMD17），寫數(shù)據(jù)命令（CMD24）,；多塊（multi-block data）讀數(shù)據(jù)命令（CMD18）,，寫數(shù)據(jù)命令（CMD25）等需要控制模塊根據(jù)SD_CMD_INDEX 寄存器的內(nèi)容來發(fā)布相應(yīng)的命令，并作不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,。CMD 控制模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2 所示,。

圖2 CMD 控制模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換

　　2.3 DATA控制模塊的設(shè)計

　　本模塊主要功能是向卡發(fā)送數(shù)據(jù)和從卡讀取數(shù)據(jù)，另外,，針對SD 卡該模塊可以通過DATA[3] 檢測卡是否插入,，通過DATA[2]發(fā)送讀等待信號，通過DATA[1]接收卡送來的中斷信號以及通過DATA[0]來檢測卡是否處于忙狀態(tài),。

　　APB 總線上還有其他一些功能模塊,，如SPI 接口控制器，CAMERA 控制器等,，由于不能一直占有總線,，在對卡進行讀寫的同時，來不及處理及時收到的數(shù)據(jù)或來不及獲取新的發(fā)送數(shù)據(jù),，所以我們采取數(shù)據(jù)緩存,，添加一個64 bytes的FIFO。

　　控制器對卡進行讀操作時,，需要先發(fā)送CMD9 命令,，獲得卡的CSD 寄存器數(shù)據(jù)，其中包含了卡的數(shù)據(jù)長度,，卡存儲容量,，卡最大時鐘速度等?？刂破骺梢猿掷m(xù)進行數(shù)據(jù)讀取,，直到向卡發(fā)送停止傳輸命令；或者讀取指定個數(shù)的數(shù)據(jù)塊,。

　　讀數(shù)據(jù)過程中,，如果卡檢測到錯誤，如超出范圍,，地址對齊錯誤等,，卡會停止數(shù)據(jù)發(fā)送，停在sending－data 狀態(tài)，控制器需要發(fā)送停止傳輸命令,，此時,，卡會將錯誤信息，通過響應(yīng)返回給控制器,。

　　控制器可以對卡持續(xù)進行寫數(shù)據(jù)操作,，直到向卡發(fā)送停止傳輸命令；或者指定個數(shù)的數(shù)據(jù)塊寫完,。寫數(shù)據(jù)過程中,，如果卡檢測到錯誤，如寫保護,，地址超出范圍,，地址對齊錯誤等，卡會停止數(shù)據(jù)的接收,，停在Receiving-data 狀態(tài),，控制器需要發(fā)送停止傳輸命令，此時卡會將錯誤信息,，通過響應(yīng)包返回給控制器,。一個數(shù)據(jù)塊寫完后，卡需要一段時間將這塊數(shù)據(jù)寫到內(nèi)部Flash 中,，控制器需要查詢卡的狀態(tài),，等卡寫完數(shù)據(jù)后，才能發(fā)送下一個命令,。

　　2.4 CRC的算法設(shè)計

　　在CMD控制模塊和DATA控制模塊中均用到CRC校驗,。CMD控制模塊中用的是CRC7，其公式是G（x） = x7 + x3 + 1,。實現(xiàn)其算法的邏輯圖如圖3,。

圖3 CRC7 生成邏輯

　　在DATA 控制模塊中用的是CRC16，其公式是G（x） = x16+ x12 +x5 +1,。算法邏輯圖同CRC7類試,，這里我們不再贅述。

　　兩種校驗本質(zhì)相同,，后者精度更高,，適應(yīng)數(shù)據(jù)尤其是長數(shù)據(jù)的傳輸校驗。

　　3 功能驗證與綜合

　　使用Mentor 公司的ModelSim 軟件進行仿真,，該軟件許可在PC,、Solaris、HP-UX 或Linux 平臺上使用,，支持VHDL或Verilog 硬件描述語言（HDL）仿真,。它支持所有器件的行為級仿真和VHDL 或Verilog 仿真激勵,。

　　為了測試設(shè)計的正確性，編寫了testbench 模塊,，其中包括一個用HDL 描述的SD 卡的原型（使得控制器能夠?qū)υ摽ㄟM行操作）,，包括產(chǎn)生時鐘信號，輸出命令,，讀寫的數(shù)據(jù),，產(chǎn)生的中斷等,。下面以測試SDMMC 讀寫寄存器,，發(fā)送命令接收響應(yīng)，4 線塊數(shù)據(jù)（block data）傳輸?shù)葹槔齺碚f明：

　　當(dāng)滿足片選信號后,，APB 總線對內(nèi)部寄存器先進行配置,，然后確定命令的發(fā)送，并附上CRC7 的校驗碼,，最后接收響應(yīng)和響應(yīng)的CRC7 校驗碼,。

　　對流傳輸，單塊,，多塊數(shù)據(jù)等所有傳輸方式進行完仿真,，利用目前業(yè)界最流行的綜合工具：SYNOPSYS公司的DesignCompiler對其綜合。經(jīng)過對Script腳本約束的設(shè)定,，通過DC將控制器的時序和面積進行優(yōu)化,，工作頻率滿足手機基帶芯片頻率125Mhz（最高可到200以上），面積在3萬門,，比主流的4萬門有所降低,，節(jié)省了面積。

　　最后采用Xilinx公司的xc4vlx200-10ff1513芯片進行FPGA驗證,，測試結(jié)果表明該控制器可以對市面上主流SDMMC卡進行數(shù)據(jù)傳輸,，符合整個SOC的要求。

　　4 結(jié)語

　　驗證結(jié)束后,，利用中芯國際的0.13um的工藝庫對上面的設(shè)計進行封裝制造,，就實現(xiàn)了最新的SD1.0和MMC3.31協(xié)議，并將其嵌入到ASIC中,，使得TD終端具有外部擴展存儲性,，節(jié)約用戶開銷。不僅如此,，該控制器可作為一個成熟的IP核,，移植到各種基于多媒體處理的ASIC芯片中去，其應(yīng)用十分廣泛,。

　　作者創(chuàng)新點：該IP核的設(shè)計,，為TD-SCDMA終端基帶芯片以及類似手持SOC提供外接擴展存儲卡的功能,，且具有廣泛的可靠移植性用于其他芯片中。