[發明專利]基于SPI模式的SD卡驅動器及其控制方法

有效

• 申請號: 201810250038.2
• 申請日: 2018-03-26
• 公開（公告）號: CN108268414B
• 公開（公告）日: 2023-07-21
• 發明（設計）人: 魏榕山;歐陽魁;王景璽;張鑫剛
• 申請（專利權）人: 福州大學
• 主分類號: G06F13/40
• 分類號: G06F13/40;G06F13/42
• 代理公司: 福州元創專利商標代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學俊

1.一種基于SPI模式的SD卡驅動器的控制方法，其特征在于：所述基于SPI模式的SD卡驅動器，包括SD卡控制器模塊、Fifo緩存模塊、FAT32文件系統模塊，所述SD卡控制器模塊通過SPI總線與SD卡連接，SD卡控制器模塊還通過Wishbone總線與FAT32文件系統模塊連接，FAT32文件系統模塊還與所述Fifo緩存模塊連接；所述SD卡控制器模塊包括Wishbone總線從機、SPI主機控制器、SD初始化控制器、命令發送響應控制器、讀寫數據控制器、數據傳輸控制器、讀寫數據緩存器、SPI主機接口，Wishbone總線從機與SPI主機控制器、讀寫數據緩存器連接，SPI主機控制器還與讀寫數據控制器、SD初始化控制器、數據傳輸控制器連接，SD初始化控制器經命令發送響應控制器與讀寫數據控制器連接，數據傳輸控制器經SPI主機接口與讀寫數據緩存器連接，SPI主機接口還與SD卡連接；所述Wishbone總線從機包括Wishbone從機控制器、Wishbone從機接口，Wishbone從機控制器與SPI主機控制器連接，Wishbone從機接口與讀寫數據緩存器連接，Wishbone從機控制器、Wishbone從機接口經Wishbone總線主機與FAT32文件系統模塊連接；所述控制方法實現如下：

（1）Fifo緩存模塊的讀、寫入控制邏輯功能：

FAT32文件系統模塊從SD卡控制器模塊取出1024+512個字節的數據并同時寫入到Fifo緩存模塊中，此時Fifo緩存模塊中無數據讀出；停止寫入數據到Fifo緩存模塊，開始從Fifo緩存模塊中讀出512個字節的數據，FAT32文件系統模塊在從SD卡控制器模塊取出512個字節的數據同時寫入到Fifo緩存模塊中，此時Fifo緩存模塊中有數據讀出；

（2）FAT32文件系統模塊和Wishbone總線讀取SD卡中文件功能：

FAT32文件系統模塊根據SD卡驅動器當前執行的功能和SD卡反饋的卡片信息向Wishbone總線主機發送命令參數，Wishbone總線主機將命令參數拆分成4個字節，Wishbone總線主機將命令字的第1個字節通過address地址接口發送到Wishbone總線從機，命令字的第2、3、4、5?字節為命令參數通過data_o數據接口發送到Wishbone總線從機；Wishbone總線從機根據address地址接口接收到的信息判斷當前由Wishbone總線從機通過data_o數據接口發送到Wishbone總線主機的數據是SD卡控制器模塊傳輸過來的SD卡反饋的卡片信息或者是SD卡各個扇區讀出的存儲數據；

Wishbone總線主機的Wishbone主機接口通過操作結束方式信號來了解SD卡控制器模塊中的Wishbone從機接口的工作狀態；操作結束方式信號為高電平時表示SD卡控制器模塊中的Wishbone從機接口向Wishbone主機接口數據傳輸正常，反之則表示數據傳輸不正常；

Wishbone總線主機通過Wishbone總線接口信號中的地址信號控制Wishbone從機接口的數據傳輸狀態和類型，通過Wishbone總線接口信號中的選通信號和寫使能信號控制Wishbone從機接口數據傳輸的起始和終止；

（3）SD卡控制器模塊基于SPI通訊模式下的包括SD卡的復位、初始化、讀單塊、寫單塊、讀多塊、寫多塊操作功能：

1）Wishbone總線從機

Wishbone總線從機負責與SD卡控制器模塊中各個模塊進行數據和命令交互，并將SD卡控制器模塊的狀態作為響應傳遞回Wishbone總線主機；當處于數據讀取狀態時，Wishbone從機控制器通過判斷主機地址類型，選擇從SPI主機控制器讀取數據并傳輸給Wishbone主機接口或者將數據從讀寫數據Fifo緩存模塊中取出并傳輸給Wishbone主機接口；當處于數據寫入狀態時，Wishbone從機控制器將數據從Wishbone主機接口中取出并傳輸給讀寫數據緩存器；

2）SPI主機控制器

系統上電復位后首先由SPI主機控制器通過控制寄存器和狀態寄存器向SD卡初始化控制器模塊發送使能信號，使SD卡完成初始化；SPI主機控制器在接收到SD卡完成初始化的反饋信號后，向讀寫數據控制器發送讀或寫請求；

3）SD初始化控制器

SD初始化控制器在接收到SPI主機控制器發送的使能信號后開始工作，產生復位命令CMD0，通過命令發送響應控制器發送給SD卡，在有效時間內收到正確的響應，復位完成；然后產生初始化命令CMD1，通過命令發送響應控制器發送給SD卡，在有效時間內收到正確的響應，初始化完成，SD卡進入SPI模式；

4）命令發送響應控制器

命令發送響應控制器在接收到SPI主機控制器發送的使能信號后開始工作；將命令拼接成SD卡協議中規定的6字節格式，發送給SD卡；對于收到的反饋，判斷是否是SD卡的響應以及是否響應超時；

5）讀寫數據控制器

讀寫數據控制器在接收到SPI主機發送的讀或寫使能信號后開始進入相應的狀態；若收到寫使能信號，產生單塊寫命令CMD24，通過命令發送響應控制器發送給SD卡；若在有效時間內收到正確的響應，則產生數據起始令牌，與512字節數據、2字節的CRC一起寫入讀寫數據緩存器；若在有效時間內收到的響應最后五位為00101，則SD卡成功接收數據；在SD卡忙狀態時判斷SD卡是否寫超時，超過250ms仍處于忙狀態則寫錯誤；若收到讀使能信號，產生單塊讀命令CMD17，通過命令發送響應控制器發送給SD卡；若在有效時間內收到正確的響應，則開始接收數據起始令牌；若在100ms內未收到數據起始令牌，則讀超時，讀SD卡錯誤；若接收到數據起始令牌，則將之后接收到的512字節數據寫入讀寫數據緩存器；

6）數據傳輸控制器

數據傳輸控制器是控制讀寫數據緩存器的模塊；若收到命令發送響應控制器的使能信號時，接收命令發送響應控制器發送的6字節命令，并逐一發送給SPI主機接口；若收到讀寫數據控制器的寫使能信號，則讀取讀寫數據緩存器Tx_FIFO中的512字節數據并將其發送給SPI主機接口；在數據傳輸的開始之前以及結束之后，發送8位高電平信號給SPI主機接口，維持時鐘并且保持MOSI為高；在接收數據及響應時，通過Fifo緩存模塊內數據狀態標志位信號來控制數據的接收過程；

7）讀寫數據緩存器

讀寫數據緩存器是緩存讀寫數據的存儲器，負責存儲要寫入SD卡的512字節數據以及從SD卡讀出的512字節數據；

8）SPI主機接口

SPI主機接口是與SD卡直接通信的模塊；通過兩個移位寄存器，將讀寫數據緩存器輸出的并行數據轉換為串行數據傳輸給SD卡，將SD卡輸出的串行數據轉換為并行數據存入讀寫數據緩存器；同時給SD卡提供時鐘信號。

2.根據權利要求1所述的基于SPI模式的SD卡驅動器的控制方法，其特征在于：所述卡片信息，即：從根目錄數據中解析出當前文件占用的字節數；用啟動區中的數據計算出根目錄和FAT1的起始地址，用根目錄起始地址對應的內容得到第一個簇在數據區的地址；用FAT1起始地址對應的內容得到第二個簇在數據區的地址和第三個簇在FAT1中的地址；FAT1每一個地址對應的內容是當前簇號在數據區的地址和下一個簇號在FAT1中的地址。