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基于FPGA的SD UHS-Ⅱ卡控制器设计与实现

王亚军  
【摘要】:SD存储卡被广泛应用在数码产品上,是主要的存储卡标准。SD卡主控制器是SD卡工作所必须的部分,广泛集成在移动多媒体设备中。SD卡不断更新换代,SD卡主控产品也随之更新。对SD卡主控制器的研究具有很高应用价值。本文设计实现的SD卡主控制器基于FPGA,遵从SD4.0标准规范支持高速UHS-II卡,满足高清数码领域的高速传输的要求。并可以经IC后端部门整合为SD卡控制芯片,投入市场应用。 本文首先研究了最新SD卡有关协议标准和SD卡主控制器有关协议,划分了SD卡主控制器的整体结构和各模块的功能,主要设计其中的SD控制模块,时钟控制模块和采样时钟选择模块,并做功能仿真,逻辑综合。最后对整体设计在FPGA开发板上做测试和验证。 SD控制模块是主控制器与SD卡之间的通信接口,控制命令与响应传输和数据传输。设计合理的状态机实现主控制器与SD卡的信息通信和数据传输功能。使用CRC校验的方法确保可靠的命令和数据信号传输。时钟控制模块提供SD主控制器和SD卡工作所需要的时钟。使用DCM提供可变的时钟信号,并且利用可动态配置的优点,提供灵活可变的时钟频率,实现工作模式的动态调整。SD卡工作在高速模式时,为正确采样到数据,需找到最佳采样时钟相位。通过设计采样时钟调谐模块和合理的状态机,对覆盖时钟间隔的一系列不同相位采样时钟进行测试,最终找出最佳采样时钟。最后进行整体设计的板上验证调试,验证了基本应用场景的功能和不同工作模式的读写性能。 本文最终设计实现的SD卡控制器支持各种新旧标准的SD卡。对东芝UHS-II工程样卡的读写速度分别可达258MB/s,231MB/s。对普通SD卡的读写速度也符合要求。本文的研究工作是在武汉凹凸电子有限公司开展的,属于商业项目的一部分,该项目已有相关产品问世。


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