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。

目录

  1 视频讲解

  2 SD NAND FLASH背景介绍

  3 样品申请

  4 电路结构与接口协议

  4.1 SD NAND

  4.2 SD NAND测试板

  4.3 FPGA开发板

  5 SD卡协议与时序流程

  5.1 SD卡协议

  5.2 SD卡2.0版本初始化步骤

  5.3 SD卡的读步骤

  5.4 SD卡的写步骤

  6 模块代码

  6.1 sd_card_top

  6.2 sd_card_cmd

  6.3 sd_card_sec_read_write

  6.4 spi_master

  6.5 其余代码

  6.5.1 sd_card_test

  6.5.2 ax_debounce

  6.5.3 seg_decoder

  6.5.4 seg_scan

  7 实验结果

  8 参考资料

  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 视频讲解

  为了便于更加清晰地讲解内容，本文也将文章的对应部分以视频的形式进行了录制：

  （后期正在紧锣密鼓制作ing）

  2 SD NAND FLASH背景介绍

  目前市面上主流的存储芯片，分为了EEPROM、NOR FLASH、NAND FLASH三种，其中后两种是市面上主要的非易失闪存技术，他们分别具有不同的特点：

  1.EEPROM

  EEPROM (Electrically Erasable Programmable read only memory)是指带电可擦可编程只读存储器。是一种掉电后数据不丢失的存储芯片。 EEPROM 可以在电脑上或专用设备上擦除已有信息，重新编程。一般用在即插即用设备中。

  相较于EEPROM计数，下文提到的FLASH技术，具有更快的速度，工艺上可以分为NOR FLASH和NAND FLASH两种

  2.NOR FLASH

  NOR FLASH是一种非易失闪存技术。其特点是芯片内执行 (XIP)，应用程序可以直接在存储芯片内运行，不必再把代码读到系统 RAM 中。其传输效率较高高，在 1~4MB 的小容量时具有很高的成本效益。

  3.NAND FLASH

  NAND FLASH内部采用非线性宏单元模式，这种结构能提供极高的单元密度，并且写入和擦除的速度很快。作为当前最热门的存储芯片，目前生活中常见的电子产品都会使用到这种存储芯片，例如数码相机、U盘等等。

  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：编辑  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。

  下图中左侧即为SD NAND、右侧是常见的TF卡。编辑  3 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：编辑  深圳市雷龙发展有限公司创立于2008年，专注NAND Flash设计研发13年。创始人均为步步高/华为技术背景出身。是一家专注于存储元器件代理分销商。 如果有一些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。

  下图是我收到的测试样品：编辑  4 电路结构与接口协议

  4.1 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：编辑  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：编辑编辑  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：编辑  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。

  （注：SPI协议详解传送门）编辑  因此本文主要介绍SPI MODE下各个引脚的功能：编辑  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。

  4.2 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：编辑  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，锡膏，镊子。温度要求:将热风枪温度调至300摄氏度℃即可焊接。

  4.3 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：编辑  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。

  5 SD卡协议与时序流程

  5.1 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。编辑  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。编辑编辑编辑  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：编辑  5.2 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  5.3 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）  5.4 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  6 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

  6.1 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。

  7 实验结果

  下载实验程序后，可以看到数码管显示一个数字，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 KEY1 按下，数字加一，并写入了 sd 卡，再次下载程序，

  可以看到直接显示更新后的数据。编辑