[米联客-XILINX-H3_CZ08_7100] FPGA_SDK入门篇连载-16 PS 读写EMMC或者SD卡实验

​ 软件版本：VIVADO2021.1
操作系统：WIN10 64bit
硬件平台：适用 XILINX A7/K7/Z7/ZU/KU 系列 FPGA
实验平台：米联客-MLK-H3-CZ08-7100开发板
板卡获取平台：https://milianke.tmall.com/
登录“米联客”FPGA社区 http://www.uisrc.com 视频课程、答疑解惑！

---

1概述

ZYNQ具有2个独立的SD控制器。在SD模式下数据支持4bit方式通信。在Emmc模式数据支持4bit方式通信。SD控制器还可以通过EMIO映射到PL IO使用。控制器通过APU或者RPU以及AXI总线互联，控制内部还包括一个带FIFO的DMA控制器，以提高传输速度。

本文主要以SD模式的数据卡做介绍，同时给出EMMC的读写demo。由于本文内容涉及概念非常广泛，有不详尽和介绍错误的地方，请读者指正。如果读者不想深究这些概念，可以简要阅读，主要看代码的如何应用。

本文的代码给出了SD卡读写程序和EMMC读写程序，其中SD卡支持raw无协议读写和FAT带文件系统读写，但是EMMC程序只支持raw读写。

本文实验目的：

1:熟悉SD接口卡的硬件参数包括容量、速度模式、卡的类型

2:熟悉SD接口的通信协议

3:熟悉ZYNQ-MPSOC SDIO控制器的硬件资源

4:通过VITIS-SDK掌握FAT32格式访问TF卡和EMMC

5:通过VITIS-SDK掌握RAW方式访问TF卡和EMMC

6:了解块存储的概念，能够在RAW方式下，对TF卡和EMMC大容量地址空间读写访问

2系统框图
​
3SD协议简介

本小节内容摘录自“Part_1_Physical_Layer_Simplified_Specification_4_10.pdf”。本人主要对SD卡的类型、容量、速度模式做简要介绍，以及对SD卡的识别模式，数据传输模式做简要介绍。由于篇幅有限，更多了关于SD接口 command命令描述、Responses响应描述、错误情况、时钟控制等读者如果要进一步了解需要继续阅读“Part_1_Physical_Layer_Simplified_Specification_4_10.pdf”。本身使用的SDIO接口协议，对于SD的SPI通信方式不做介绍。

3.1SD接口卡简介

SD接口卡包括SD卡、TF卡、MMC卡、SDIO卡。其中SD卡和TF卡软件使用上一致，但是TF卡具有更小的尺寸，因此被更加广泛使用，用TF卡插入SD卡套也可以直接当作SD卡使用，通常来说，本文所指的TF卡就是SD卡。而SDIO卡一般是非存储的卡，比如SDIO接口的WIFI模块。那么SD卡和MMC卡的主要使用区别在于初始化过程不一样。

1:SD存储容量

SD卡按容量分类分为标准容量卡、高容量卡，扩展容量卡：

类别	容量
Standard Capacity SD Memory Card (SDSC)	<=2GB
High Capacity SD Memory Card (SDHC)	>2GB && <32GB
Extended Capacity SD Memory Card (SDXC)	>32GB&&<2TB

一般目前市场上常用的SD接口存储卡容量都在2GB以上

2:SD接口卡的速度模式

SD接口卡支持的速度模式如下：

模式	电压模式	最高频率	最高速度
Default Speed mode	3.3V	25MHz	12.5MB/sec
High Speed mode	3.3V	50MHz	25MB/sec
SDR12 mode	1.8V	25MHz	12.5MB/sec
SDR25 mode	1.8V	50MHz	25MB/sec
SDR50 mode	1.8V	100MHz	50MB/sec
SDR104 mode	1.8V	208MHz	104MB/sec
DDR50 mode	1.8V	50MHz	50MB/sec

SDR(Single Date Rate):一个周期只能采集一次数据，即一个bit，由于SD卡是4条数据线并行传输，所以一个周期能传输4bit，如果频率是50MHz（即1秒传输次数为50 000 000），那么1秒能传输的数据量为25MB（这里1MB为1 000 000 Byte)。所以这就是为什么各种SDR模式里面，频率上限是速度上限的两倍。

DDR(Double Data Rate):在时钟上升沿和下降沿都可以采集数据，也就是单一周期内可读取或写入2次，因此4条并行数据线在一个周期内能传输8bit。

3:SD卡的速度类别

通常来说，我们看到的TF卡上都有规格描述，每种规格都表示卡能够支持的最小速度：

Class 0 - 这种卡没有性能要求

Class 2 - 要求在 Default Speed mode 下，性能至少要达到（大于等于） 2MB/sec

Class 4 - 要求在 Default Speed mode 下，性能至少要达到 4MB/sec

Class 6 - 要求在 Default Speed mode 下，性能至少要达到 6MB/sec

Class 10 - 要求在 High Speed mode 下，性能至少要达到 10MB/sec

4:供电电压

根据工作电压，我们定义了两种SD存储卡:

类别	工作电压
高压SD存储卡	工作电压范围为2.7 ~ 3.6 V。
UHS-II SD存储卡	工作电压范围为VDD1: 2.7 ~ 3.6 V, VDD2: 1.70 ~ 1.95V

3.2SD总线协议

不管Command，还是Response或者Data，都开始于一个start bit （bit值0），结束于一个end bit（bit值1）。

传输类型	功能描述
Command	一个命令代表着将开始一个操作。命令通过CMD线传输，方向从host到card
Response	响应是card对前一次host发送的命令的执行情况的反馈。也是通过CMD线传输，方向从card到host
Data	方向可以从card到host，也可以从host到card

1:无Response和无data操作
​
2:多次块读操作
​
3:多次块写操作
​
4:Command格式

每个命令有1个start bit(val=0 )开始，和一个end bit(val=1)结束，总长度为48位，并且具有crc校验。

​
5:Response格式

Response一共有4种编码方案，长度可以是48bit或者136bit.

​
6:常用数据包格式(8位宽)
​
7:宽数据包格式
​
3.3SD数据卡寄存器
1:SD卡的引脚定义
​
​

1) S: power supply; I: input; O: output using push-pull drivers; PP: I/O using push-pull drivers;  

2) The extended DAT lines (DAT1-DAT3) are input on power up. They start to operate as DAT lines after

SET_BUS_WIDTH command. The Host shall keep its own DAT1-DAT3 lines in input mode, as well, while they are not

used.  

3) At power up this line has a 50KOhm pull up enabled in the card. This resistor serves two functions Card detection and

Mode Selection. For Mode Selection, the host can drive the line high or let it be pulled high to select SD mode. If the host

wants to select SPI mode it should drive the line low. For Card detection, the host detects that the line is pulled high. This

pull-up should be disconnected by the user, during regular data transfer, with SET_CLR_CARD_DETECT (ACMD42)

command

4) DAT1 line may be used as Interrupt Output (from the Card) in SDIO mode during all the times that it is not in use for

data transfer operations (refer to "SDIO Card Specification" for further details).  

5) DAT2 line may be used as Read Wait signal in SDIO mode (refer to "SDIO Card Specification" for further details).

2:SD数据卡的功能结构
​
3:SD卡寄存器说明
​

SD卡内部有7个寄存器：OCR,CID,CSD和SCR寄存器保存卡的配置信息;

RCA寄存器保存着通信过程中卡当前暂时分配的地址(只适合SD模式);

CSR寄存器卡状态(Card Status)和SSR寄存器SD状态(SD Status)寄存器保存着卡的状态(例如,是否写成功,通信的CRC校验是否正确等),这两个寄存器的内容与通信模式(SD模式或SPI模式)相关。

MMC卡没有SCR和SSR寄存器。

下面对以上寄存器做进一步说明。

3.1:Operating Conditions Register(OCR)寄存器

SD卡支持的电压范围如下图所示，如果相应的bit位1就是支持，否则如果是0就是不支持。

OCR bit position	OCR Fields Definition
0-6	reserved
7	Reserved for Low Voltage Range
8-14	reserved
15	2.7V-2.8V
16	2.8V-2.9V
17	2.9V-3.0V
18	3.0V-3.1V
19	3.1V-3.2V
20	3.2V-3.3V
21	3.3V-3.4V
22	3.4V-3.5V
23	3.5V-3.6V
24	Switching to 1.8V Accepted (S18A) 只有UHS-I卡支持此位
25-28	reserved
29	UHS-II Card Status
30	Card Capacity Status (CCS) 只有当卡上电状态位被设置时，此位才有效
31	Card power up status bit (busy) 如果卡没有完成上电程序，此位被设置为低

3.2:Card Identification Register(CID)寄存器

卡识别(CID)寄存器是128位宽。它包含在卡识别阶段使用的卡识别信息。每个读写(RW)卡都应有一个唯一的识别号码。CID寄存器的定义如下:

Name	Field	Width	COID-slice
Manufacturer ID	MID	8	[127:120]
OEM/Application ID	OID	16	[119:104]
Product name	PNM	40	[103:64]
Product revision	PRV	8	[63:56]
Product serial number	PSN	32	[55:24]
reserved		4	[23:20]
reserved	MDT	12	[19:8]
CRC7 checksum	CRC	7	[7:1]
not used, always 1		1	[0:0]

3.3:Card Specific Data Register(CSD)寄存器

CSD数据寄存器提供有关访问卡内容的信息。CSD定义了数据格式、纠错类型、最大数据访问时间、是否可以使用DSR寄存器等。寄存器的可编程部分(用W或E标记的条目，见下文)可以用CMD27改变。下表项的类型编码如下:R =可读，W(1) =一次可写，W =多次可写。

在SD3.0协议中，CSD分为版本1.0和版本2.0，版本1.0对应标准容量的SD卡，版本2.0对应高容量和超高容量的SD卡。

CSD寄存器的字段结构是不同的，取决于物理层规范版本和卡容量。CSD寄存器中的CSD_STRUCTURE字段表示它的结构版本。

CSD_STRUCTURE	CSD structure version	Card Capacity
0	CSD Version 1.0	Standard Capacity
1	CSD Version 2.0	High Capacity and Extended Capacity
2-3	reserved

CSD寄存器1.0版本定义如下：

Name	Field	Width	Value	Cell Type	CSD-slice
CSD structure	CSD_STRUCTURE	2	00b	R	[127:126]
reserved	-	6	00 0000b	R	[125:120]
data read access-time-1	TAAC	8	xxh	R	[119:112]
data read access-time-2 in CLK cycles (NSAC*100)	NSAC	8	xxh	R	[111:104]
max. data transfer rate	TRAN_SPEED	8	32hor 5Ah	R	[103:96]
card command classes	CCC	12	01x110110101b	R	[95:84]
max. read data block length	READ_BL_LEN	4	xh	R	[83:80]
partial blocks for read allowed	READ_BL_PARTIAL	1	1b	R	[79:79]
write block misalignment	WRITE_BLK_MISALIGN	1	xb	R	[78:78]
read block misalignment	READ_BLK_MISALIGN	1	xb	R	[77:77]
DSR implemented	DSR_IMP	1	xb	R	[76:76]
reserved	-	2	00b	R	[75:74]
device size	C_SIZE	12	xxxh	R	[73:62]
max. read current @VDD min	VDD_R_CURR_MIN	3	xxxb	R	[61:59]
max. read current @VDD max	VDD_R_CURR_MAX	3	xxxb	R	[58:56]
max. write current @VDD min	VDD_W_CURR_MIN	3	xxxb	R	[55:53]
max. write current @VDD max	VDD_W_CURR_MAX	3	xxxb	R	[52:50]
device size multiplier	C_SIZE_MULT	3	xxxb	R	[49:47]
erase single block enable	ERASE_BLK_EN	1	xb	R	[46:46]
erase sector size	SECTOR_SIZE	7	xxxxxxxb	R	[45:39]
write protect group size	WP_GRP_SIZE	7	xxxxxxxb	R	[38:32]
write protect group enable	(WP_GRP_ENABLE)	1	xb	R	[31:31]
reserved (Do not use)		2	00b	R	[30:29]
write speed factor	R2W_FACTOR	3	xxxb	R	[28:26]
max. write data block length	WRITE_BL_LEN	4	xxxxb	R	[25:22]
partial blocks for write allowed	WRITE_BL_PARTIAL	1	xb	R	[21:21]
reserved		5	00000b	R	[20:16]
File format group	FILE_FORMAT_GRP	1	xb	R/W(1)	[15:15]
copy flag	COPY	1	xb	R/W(1)	[14:14]
permanent write protection	PERM_WRITE_PROTECT	1	xb	R/W(1)	[13:13]
temporary write protection	TMP_WRITE_PROTECT	1	xb	R/W	[12:12]
File format	FILE_FORMAT	2	xxb	R/W(1)	[11:10]
reserved		2	00b	R/W	[9:8]
CRC	CRC	7	xxxxxxxb	R/W	[7:1]
not used, always'1'	-	1	1b	-	[0:0]

CSD 2.0版本应用于SDHC和SDXC卡。括号中的字段名被设置为固定值，表示主机不需要引用这些字段。固定值使引用这些字段的host能够保持与CSD 1.0版本的兼容性。单元格类型字段编码如下:R =可读，W(1) =一次可写，W =多次可写。

CSD寄存器2.0版本定义如下：

Name	Field	Width	Value	Cell Type	CSD-slice
CSD structure	CSD_STRUCTURE	2	00b	R	[127:126]
reserved	-	6	00 0000b	R	[125:120]
data read access-time-1	(TAAC)	8	xxh	R	[119:112]
data read access-time-2 in CLK cycles (NSAC*100)	(NSAC)	8	xxh	R	[111:104]
max. data transfer rate	(TRAN_SPEED)	8	32h,5Ah,0Bh,2Bh	R	[103:96]
card command classes	CCC	12	01x110110101b	R	[95:84]
max. read data block length	(READ_BL_LEN)	4	xh	R	[83:80]
partial blocks for read allowed	(READ_BL_PARTIAL)	1	1b	R	[79:79]
write block misalignment	(WRITE_BLK_MISALIGN)	1	xb	R	[78:78]
read block misalignment	(READ_BLK_MISALIGN)	1	xb	R	[77:77]
DSR implemented	DSR_IMP	1	xb	R	[76:76]
reserved	-	6	00000b	R	[75:70]
device size	C_SIZE	22	xxxxxxh	R	[69:48]
reserved	-	1	0	R	[47:47]
erase single block enable	(ERASE_BLK_EN)	1	xb	R	[46:46]
erase sector size	(SECTOR_SIZE)	7	xxxxxxxb	R	[45:39]
write protect group size	(WP_GRP_SIZE)	7	xxxxxxxb	R	[38:32]
write protect group enable	(WP_GRP_ENABLE)	1	xb	R	[31:31]
reserved (Do not use)		2	00b	R	[30:29]
write speed factor	(R2W_FACTOR)	3	xxxb	R	[28:26]
max. write data block length	(WRITE_BL_LEN)	4	xxxxb	R	[25:22]
partial blocks for write allowed	(WRITE_BL_PARTIAL)	1	xb	R	[21:21]
reserved		5	00000b	R	[20:16]
File format group	(FILE_FORMAT_GRP)	1	xb	R/W(1)	[15:15]
copy flag	COPY	1	xb	R/W(1)	[14:14]
permanent write protection	PERM_WRITE_PROTECT	1	xb	R/W(1)	[13:13]
temporary write protection	TMP_WRITE_PROTECT	1	xb	R/W	[12:12]
File format	(FILE_FORMAT)	2	xxb	R/W(1)	[11:10]
reserved		2	00b	R/W	[9:8]
CRC	CRC	7	xxxxxxxb	R/W	[7:1]
not used, always'1'	-	1	1b	-	[0:0]

3.4:SD card Configuration Register (SCR)寄存器

除了CSD寄存器外，还有一个名为SD卡配置寄存器(SCR)的配置寄存器。SCR提供关于SD存储卡的特殊特性的信息，这些特性被配置到给定的存储卡中。可控硅寄存器的大小是64位。此寄存器由SD卡厂家在工厂内设置。

Description	Field	Width	Cell Type	SCR Slice
SCR Structure	SCR_STRUCTURE	4	R	[63:60]
SD Memory Card - Spec. Version	SD_SPEC	4	R	[59:56]
data_status_after erases	DATA_STAT_AFTER_ERASE	1	R	[55:55]
CPRM Security Support	SD_SECURITY	3	R	[54:52]
DAT Bus widths supported	SD_BUS_WIDTHS	4	R	[51:48]
Spec. Version 3.00 or higher	SD_SPEC3	1	R	[47]
Extended Security Support	EX_ SECURITY	4	R	[46:43]
Spec. Version 4.00 or higher	SD_SPEC4	1	R	[42]
Reserved		6	R	[41:36]
Command Support bits	CMD_SUPPORT	4	R	[35:32]
reserved for manufacturer usage	-	32	R	[31:0]

SCR_STRUCTURE 关于SD卡内的物理级说明中SCR结构的版本号。

SD_SPEC描述这张SD卡在物理级上所支持的说明版本。

DATA_STAT_AFTER_ERASE 定义了数据在擦除后的状态。是“0”或“1”中的任何一个（这要依赖卡的供应商）。

SD_SECURITY 描述了该卡所支持的安全算法。0：无 1：安全协议1.0 安全说明版本 0.96 2：安全协议2.0 安全说明版本 1.0 - 1.01。其他保留

SD_BUS_WIDTHS描述该卡所支持的所有数据总线宽度。从SD 卡支持最少1 位或4 位宽度这两种总线模式开始，任何SD 卡都将最少要设置0 和2 这两个位（即SD_BUS_WIDTH = 0101 ），1.4位保留。

3.5:Relative card address (RCA)寄存器

该16位卡地址寄存器保存了在卡识别过程中卡发布的器件地址。该地址用于在卡识别后主机利用该地址与卡进行通信。RCA寄存器的缺省值是0x0000。0x0000是预留值，用于将所有卡设置为CMD7备用状态。该寄存器只有在SD总线模式下才有效。

3.6:Driver stage register (DSR)寄存器

该16bit寄存去在扩展的操作条件下可以选择使用它来改善总线性能(取决于总线长度、传输速率或卡的数量等参数)。CSD寄存器携带关于DSR寄存器使用的信息。DSR寄存器的默认值是0x404。

3.4UHS(Ultra High Speed)SD总线标准

ZYNQ不支持该模式，但是MPSOC可以支持到UHS-I模式，所以我们也保留了这部分内容介绍。

UHS（Ultra High Speed）是与SDXC同时推出的SD卡总线标准。此标准适用于SDHC和SDXC。UHS-I最高传输速度（理论值）为104MB/s。英文字母I代表该设备（SD卡或读卡器）支持UHS-I接口。英文字母U，包含数目字1，代表该设备读写速度达U1。UHS-II最高传输速度达312MB/s，是UHS-I的三倍。

设备（如智能手机）必须支持UHS，才能保证达到U1或U3最低写入速度。

由于Ultrascale+ MPSOC不支持UHS-II，所以下面只介绍UHS-I初始化的命令序列流程。

​

-上电后，卡会处于3.3V 通信电平模式下。第一个CMD0命令会选择bus模式：SD模式或SPI模式。只有在SD模式下，才能进入1.8V 通信电平模式。一旦卡进入1.8V 通信电平模式，卡不能切换到SPI模式或者3.3V 通信电平模式，除非重新上电。(不同的电平模式，是为了获取不同的SDIO接口通信时序，以获取最佳的通信速度。)

收到CMD0命令后，卡将进入空闲状态（Idle state），但是仍然工作在SDR12时序下。UHS-I只提供了SD模式，没有提供SPI模式。

-通常来说速度越高，通信的IO电压越低，对SDR50、DDR50和SDR104模式，主控制器通信的信号电压为1.8V。也就是说SDCLK、CMD和DAT[3:0]线需要是1.8V的。一般的SD卡都是工作在3.3V,IO电平也是3.3V所以，而通常ZYNQ或者MPSOC的SDIO是工作在1.8V,所以需要用1.8V和3.3V的专用电平芯片完成信号转换。

主机和SD卡通过ACMD41命令来确认双方是否支持1.8V 通信电平模式。如果主机和卡都支持1.8V 通信电平模式，这就意味着UHS-I卡可用。

-UHS-I只能使用4-bit的bus模式，CMD42是个例外。如果卡被锁住了，就需要通过发送CMD42命令（1-bit模式）解锁，然后发送ACMD6命令将bus模式切换到4-bit。

-在卡解锁的情况下，CMD19命令执行在1.8V通信电平的传输状态。其他情况，CMD19都会被当做非法命令。

3.5SD内存卡功能描述

主机和卡之间的所有通信都由主机(主)控制。对SD卡与主机(host)来说，有两种操作模式：

Card identification mode: 对卡reset重置后，主机进入卡识别模式，对卡来说，在reset后，除非收到CMD3命令，否则卡一直处于该模式下。

Data transfer mode: 当卡第一次发布它的RCA后，该卡将处于数据传输模式。而对主机来说，在它识别了bus线上的所有卡后，进入该模式。

1: SD卡的识别模式

当处于卡识别模式时，host主机重置处于卡识别模式的所有卡，验证操作电压范围，识别卡并要求它们发布相对卡地址(RCA)。这个操作是在每个卡各自的CMD行上分别执行的。在卡识别模式下的所有数据通信都只使用CMD命令行。在卡的识别过程中，卡必须在识别时钟速率为fOD的SD时钟频率下运行。

1.1:SD卡的复位

在SD模式下，命令GO_IDLE_STATE (CMD0)是软件复位命令，将每个卡置为空闲状态，而不考虑当前卡的状态。处于非活动状态的卡不受此命令影响。

host主机上电后，所有卡都处于空闲状态，包括之前处于Inactive状态的卡。

上电或CMD0后，所有卡的CMD行都处于输入模式，等待下一条命令的开始位。这些卡被初始化为一个默认的相对卡地址(RCA=0x0000)和一个具有400KHz时钟频率的默认驱动程序强度。在3.3V信号电平模式的情况下，如果支持并选择最高的驱动电流能力，默认驱动强度由驱动级寄存器(DSR)指定。在1.8V信号电平模式的情况下，默认驱动强度由B型驱动指定。在UHS-II模式(ZYNQ以及MPSOC不支持)下，CMD0不会将RCA清除到0x0000，只保留它的设备ID，设备ID是通过枚举确定的。

1.2:SD卡的操作条件验证

1-在host主机和卡开始通信时，主机可能不知道SD卡支持的电压，SD卡也可能不知道它是否支持当前提供的电压。主机发出一个带有指定电压的reset复位命令(CMD0)，同时假定它可能被卡支持。为了验证电压，主机再发送一个CMD8命令。

2-通过发送SEND_IF_COND (CMD8)命令，去获取SD卡支持的工作电压。SD卡通过检测CMD8的参数部分来检查主机使用的工作电压，主机通过分析卡CMD8的response参数来确认SD卡是否可以在所给电压下工作，如果SD卡可以在指定电压下工作，则它的response里面会包含cmd8参数里面提供的电压 。如果SD卡不支持所给电压，则SD卡不会给出任何响应信息，并保持IDLE状态。如果要初始化SDHC和SDXC，在第一次发送ACMD41命令前，必须先发送CMD8。

3-SD_SEND_OP_COND (ACMD41)用来识别和拒绝与主机所需的VDD范围不匹配的SD卡。在指定的电压范围内而不能传输数据的卡应该放弃总线操作，Inactive State状态。ACMD41是特定于应用程序的命令;因此APP_CMD (CMD55)应该始终在ACMD41之前。在idle_state中用于CMD55的RCA应该是SD卡的默认RCA = 0x0000。

4-主机发出复位命令(CMD0)复位SD卡后，主机在ACMD41之前发出CMD8重新初始化SD存储卡。

5-主机发送ACMD41命令时，可以通过将该命令所带的OCR参数设置为0，用来查询卡支持的工作电压范围。当ACMD41被用于查询时，卡将忽略掉ACMD41里面的HCS参数。主机在查询到卡的工作电压后，也许会将该电压作为接下来发送的ACMD41命令的参数。

6-在初始化过程中，主机不允许改变正在操作的电压范围。

下图是SD卡状态图(card identification mode)

​

(*1) Note : Card returns busy when                          -Card executes internal initialization process                          -Card is High or Extended capacity SD Memory Card and host doesn't support High or Extended capacity This means that CMD8 is mandatory to initialize High capacity SD Memory Card.

1.3:SD卡的初始化和识别过程

1:当总线被激活后，主机开始卡初始化和识别过程。在主机发送SD_SEND_OP_COND(ACMD41)命令开始处理SD卡初始化时，ACMD41种的参数HCS位被设置为1表示主机支持SDHC或者SDXC；HCS被设置为0表示主机不支持SDHC和SDXC。

2:SD卡通过设置OCR里面的busy位来通知主机ACMD41的初始化已经完成。busy位为0，表示卡还在初始化；busy位为1，说明初始化已经完成。主机会在1s的时间内，重复不断地发送ACMD41命令，直到busy位被置1为止。SD卡只有在第一次收到设置电压的ACMD41命令时，才会去检查操作条件和OCR中的HCS位。并且在重复发送ACMD41命令的这段时间里，主机不应该发送任何命令，除了CMD0。

3:如果SD卡能正确响应CMD8，SD卡对ACMD41命令的响应会包含一个CCS字段，CCS在卡返回ready时（busy位置1）有效。CCS=0表示卡是SDSC，CCS=1表示卡是SDHC或者SDXC。

4:在ACMD41之后，主机会发送 ALL_SEND_CID (CMD2)，获取卡的CID。在卡发送它的CID之后，卡进入识别状态（Identification State）。

5:接着，主机发送CMD3 (SEND_RELATIVE_ADDR)，请求卡发布卡的RCA。RCA是一个比CID短的，并且将来在数据传输模式中使用的地址。

下图是SD卡的初始化和识别流程图(Card Initialization and Identification Flow)

​
1.4:初始化命令ACMD41

ACMD41参数的一般规则如下:

(1)如果参数中的电压设置(bit 23-0)为0，则称为“inquiry CMD41”，它不进行初始化，只用于获取OCR，(bit31-24)是无效的。

(2)如果参数中的电压设置(bit 23-0)非0称为first ACMD41开始初始化，(bit31-24)是有效的。

(3)下一个ACMD41相关bit应与第一个ACMD41保持一致。

(1) Argument of ACMD41

如果SDXC卡初始化为XPC=0，则该SD卡在默认速度模式或SDR12模式下工作功耗0.36W (100mA，在VDD1上3.6V)，如果卡不支持速度类，则SD状态显示为0类。如果SDXC卡初始化为XPC=1，则该卡在默认速度模式或SDR12模式下工作0.54W (150mA, VDD1上3.6V)，支持速度类。每次更改XPC选项需要重新初始化。

设置ACMD41参数中S18R=1，请求SD卡切换1.8V电平模式，当SD卡进行了电平切换后SD卡再次设置S18R=0，保持电平电压不变。

​

(2) Response of ACMD41 (R3)

​
1.5使用ACMD41切换电平模式
​
1.6UHS-Ihost初始化流程图
​
1.7:电平模式切换命令CMD11
​

如果ACMD41命令种请求了切换电平模式，而且R3 response的S18A==1表面SD卡准备好切换电平了，此时发送CMD11完成电平切换,并且返回R1 response.如果没有response，说明S18A==0，表示SD卡不能进行电平切换，主机不应发送CMD11.

当进入tran状态时，应该检查R1响应中的CARD_IS_LOCKED状态(在CMD7响应中表示)。如果卡处于锁定状态，则需要CMD42对卡进行解锁。如果卡未解锁，可以跳过CMD42。

对于UHS-I卡，CMD6功能组3选择合适的驱动强度，CMD6功能组1选择其中一种UHS-I模式。在SDR50和SDR104模式下，如果需要调优采样点，则反复下发CMD19，直到调优完成。

CMD11无响应的情况有四种:

(1)SD卡不支持电压开关;(2)SD卡支持电压开关，接收ACMD41, S18R=0;(3)SD卡收到CMD11未就绪状态;(4)信号电平已切换到1.8V。

1.8调优命令CMD19

通过调优模块(Tuning block)可以获取数据最佳的采样点，补偿静态延迟、PCB负载、信号抖动等造成时序影响。采样点的调优能力对于HOST-SDR-VD是必需的，对于HOST-SDR-FD是可选的。

​

CMD19定义为发送调优块命令。定义R1类型响应。SD卡未解锁时，可在1.8V信令模式传输状态下执行CMD19。另一种情况，CMD19被视为非法命令。数据块，由DAT[3:0]携带，包含一个模式来调整采样位置以接收CMD和DAT[3:0]行上的数据。如果CMD19的块长度是固定的，则不需要CMD16

Host连续发送CMD19命令，并且SD卡返回R1 responded,和读取SD数据总线上的数据。SD卡需要在不超过150ms的时间内完成CMD19序列执行40次。调优过程通常小于40次执行，因此应该小于150ms。这个时间不包括任何主机处理时间，如果主机在执行之间需要时间来处理CMD19，则序列可能要长这个时间。

调优模块的测试数据如下：

​
2:数据传输模式

因为一些卡在识别模式（Identification Mode）下，对操作频率有限制，所以在识别模式结束前，主机需要一直保持在fOD频率。在数据传输模式下，主机可以在fPP频率范围内操作卡。主机发出SEND_CSD (CMD9)以获取与卡相关的数据(CSD寄存器)，例如块长度、卡存储容量等。

广播命令SET_DSR (CMD4)配置所有识别卡的驱动程序阶段。它根据应用总线的布局(长度)、总线上的卡的数量和数据传输频率来编程它们的DSR寄存器。时钟速率也从fOD切换到fPP。对卡和主机来说，SET_DSR(CMD4)命令是个可选。

CMD7用于选择一张卡，并且将卡设置为传输状态(Transfer State)。当发送的CMD7的RCA地址参数为"0x0000"，所有卡将跳回到准备状态（Stand-by State ）。

SD卡数据传输模式的流程图(SD Memory Card State Diagram (data transfer mode))：

​

对已经拥有RCA的卡来说，对它发送identification commands（比如ACMD41、CMD2），它将不会有任何回应。在数据传输模式下，主机与被选中的卡（使用定向命令）之间的数据传输都是点对点的。通过cmd线，所有定向命令（addressed commands）都会收到一个用于确认的response。

2.1:总线位宽的选择和取消

宽总线(4位总线宽度)操作模式可以使用ACMD6选择/取消选择。上电或GO_IDLE (CMD0)后总线的缺省宽度是1位总线宽度。改变总线位宽需要满足以下条件：

1-SD卡处于'tran state'状态

2-SD卡不处于锁住状态

2.2:2GB容量SD卡(已淘汰)

如果要制作2GByte的卡，则最大块长度(READ_BL_LEN=WRITE_BL_LEN)应设置为1024字节。但CMD16设置的块长度应不超过512字节，以保持与最大块长度512字节卡(小于等于2GByte卡)一致。由于这种卡已经淘汰，可以了解下就可以。

2.3:读数据

无数据传输时，DAT总线保持上拉。数据总线的数据包含起始位(低1bit或低4bits)，数据流(包含有效数据和CRC校验)，以及结束位(高1bit或高4bits)。

SD的数据块传输单位最大是512字节。CMD16设置的块长度可以设置为最大512字节，而不考虑READ_BL_LEN。CRC校验附加在每个数据块的末尾，用于校验数据。单个数据块传输实用CMD17命令。使用CMD18传输多个连续数据块，直到发出停止传输命令CMD12。由于发出的停止CMD12有延迟，所以host主机应该在准备发出CMD12前，忽略总线上还在传输的数据。

​

1-“Current Blocklen”大小是由CMD16设置或更改的。如果value小于等于512字节(与Misalign和Partial选项没有关系)，则设置不出错。

2-当Blocklen size数据范围超过512字节的块边界时，SD卡输出数据直到512字节的块边界”，此时数据变为无效，可能发生 CRC错误。SD卡片将在下一个命令响应中发送“ADDRESS_ERROR”。主机应该发出CMD12来恢复。

2.4:写数据

写数据传输格式和读数据类似。在块写命令(CMD24 - 27,42,56 (w))执行期间，一个或多个数据块从主机传输到卡上，主机在每个块的末尾加上1位或4位的CRC。无论WRITE_BL_LEN设置为1k还是2k，都要求支持块写的SD卡块长度通过CMD16设置为512字节。但是，如果SD卡支持WRITE_BL_PARTIAL（= 1）那么和读操作一样可以支持1~512字节的写操作。下表是种Partial是不支持的。

​

1-“Current Blocklen”大小是由CMD16设置或更改的。如果value小于512字节(与Misalign和Partial选项没有关系)，则设置为无错误。然后在执行写命令时测试“Current Blocklen”大小。

2-如果当前的Blocklen值不是该值，则Write命令的response响应，SD卡会响应“BLOCK_LEN_ERROR”。

3-如果“起始地址”不是这个值，那么SD卡将在Write命令的response响应中发送“ADDRESS_ERROR”。

如果SD卡的写缓冲区已经满，不能接收新的WRITE_BLOCK命令，那么SD卡需要在开始写卡的同时，保持DAT0为低电平。Host主机通过轮询发送CMD13，卡返回的respons中的READY_FOR_DATA状态位，表示卡正在写或者已经可以进行新一次的写命令。

写操作的时候使用预擦除命令ACMD23可以获得更高的块写速度。Host主机机将使用这个命令来定义在下一个写操作中将要发送多少个写块。在块传输过程中，主机可以终止写操作，剩余的块内容是未知的。如果host主机发送比ACMD23中定义的更多的写块，SD卡将一个接一个地擦除块(当接收到新数据时)。在多个块写操作后，这个数值将被重置为默认值(=1)。建议在CMD25之前使用此命令，一些卡对于多个写块操作会更快。如果主机想要使用预擦除特性，那么主机应该在写命令之前发送ACMD23。如果没有发送ACMD23，pre-erase-count可能会在执行其他命令(例如:安全应用程序命令)时自动清除。

使用Pipeline机制的数据缓存管理，在发送错误的情况下可能无法确认最后发送的缓冲区是那一个，SD卡可以响应ACMD22命令，返回已经写成功的数据块。

2.5擦除操作

为了提高数据吞吐量，需要同时擦除多个写块。通过启动写块擦除命令CMD32, 结束写块擦除命令CMD33来识别这些写块。

为了实现块擦除，Host的命令顺序:ERASE_WR_BLK_START(擦除写块开始CMD32)、ERASE_WR_BLK_END(擦除写块结束CMD33)和ERASE (CMD38)(擦除)。

如果接收到的erase (CMD38)或address setting (CMD32, 33)命令顺序错误，卡需要在状态寄存器中设置ERASE_SEQ_ERROR位，并重置整个顺序。如果收到了除SEND_STATUS之外的顺序错误命令，卡需要在状态寄存器中设置ERASE_RESET状态位，重置清除顺序，然后执行最后一个命令。

如果擦除范围包括写保护扇区，它们将保持完整，只有非保护扇区将被擦除。保护扇区应该在状态寄存器中设置WP_ERASE_SKIP状态位。

地址设置命令中的地址字段是一个以字节为单位的写块地址。卡将忽略WRITE_BL_LEN(参见CSD)大小以下的所有LSB。

如上所述，对于块写，该SD卡将通过保持DAT0低来指示正在进行擦除操作。实际的擦除时间可能会很长，主机可能会发出CMD7来取消卡的选择或执行卡的断开连接。

在擦除操作后，卡上的数据是'0'或'1'，这取决于卡供应商。SCR寄存器位DATA_STAT_AFTER_ERASE(第55位)定义了它是'0'还是'1'。

4ZYNQ SD/SDIO控制器介绍

ZYNQ具有2个SDIO控制器，都可以支持SD卡接口模式，ZYNQ的SDIO控制器完全兼容“SD Host Controller Specification Version 2.0”规范中SDMA(单词DMA模式)、ADMA1(4KB DMA)、ADMA2(允许在 32 位系统内存中传输任何位置和任何大小的数据并且支持链式DMA（地址可以不连续的传输）)

由于EMMC的协议和SD卡的协议都一样，所以ZYNQ的SDIO也可以支持EMMC,但是需要注意可能时序上会存在问题应为XILINX没有做过充分测试。EMMC不支持作为BOOT外设，但是可以作为二级BOOT外设。这个在UG821中有说明，在LINUX的应用中很多场合会采用QSPI+EMMC的方式完成启动和系统加载。

ZYNQ的SDIO控制器硬件参数做以下总结：

1:符合SD/SDIO2.0协议标准

2:支持SDHS(最大2GB)  SDHC(最大32GB)的SD卡，也就是SD卡容量小于32GB容量的卡

3:支持SD卡的SD_CLK最高速度是50MHZ,对于EMIO方式的是25MHZ

4:支持中断或者轮询方式方位SD卡

5:支持DMA，包括SDMA、ADMA1、ADMA2

如下图所示为ZYNQ SDIO控制器通过AHB总线完成数据交互，我们把左边归纳用户层，右边为接口层:

用户层：DMA控制模块、SD/SDIO Host控制器、CPRM功能(内容保护功能)、数据FIFO、中断模块

接口层：解码器、应答产生模块、数据收发模块。

​
5硬件电路分析

TF卡接口接到了SDIO0，采用了1.8V的IO电平

​

EMMC接到了SDIO1，使用了3.3V的IO电平

​
6搭建SOC系统工程

详细的搭建过程这里不再重复，对于初学读者如果还不清楚如何创建SOC工程的，请学习“01Vitis Soc开发入门”这篇文章。

6.1SOC系统工程

以下步骤简写，有不清楚的看第一篇文章。

1:单击Block文件à右键àGenerate the Output ProductsàGlobalàGenerate。

2:单击Block文件à右键à Create a HDL wrapper(生成HDL顶层文件)àLet vivado manager wrapper and auto-update(自动更新)。

3:添加配套工程路径下uisrc/04_pin/fpga_pin.xdc约束文件

4:生成Bit文件。

5:导出到硬件: FileàExport HardwareàInclude bitstream

6:导出完成后，对应工程路径的soc_hw路径下有硬件平台文件：system_wrapper.xsa的文件。根据硬件平台文件system_wrapper.xsa来创建需要Platform平台。

​
7搭建Vitis-sdk工程

创建soc_base sdk platform和APP工程的过程不再重复，如果不清楚请参考本章节第一个demo。

7.1创建SDK Platform工程
​

右击soc_base编译，编译的时间可能会有点长

7.2创建APP工程
​
8程序分析
8.1SD_Raw_Test程序分析

1. /***************************** Include Files *********************************/
   
2. #include "xsdps.h"                /* SD device driver */
   
3. static int SdpsRawTest(void);
   
4. /************************** Variable Definitions *****************************/
   
5. #ifdef __ICCARM__
   
6. #pragma data_alignment = 32
   
7. u8 DestinationAddress[10*1024];
   
8. #pragma data_alignment = 32
   
9. u8 SourceAddress[10*1024];
   
10. #else
    
11. u8 DestinationAddress[10*1024] __attribute__ ((aligned(32)));
    
12. u8 SourceAddress[10*1024] __attribute__ ((aligned(32)));
    
13. #endif
    
14. 
    
15. #define TEST 7
    
16. /* Number of SD blocks to test */
    
17. #define NUM_BLOCKS 16
    
18. /* Sector offset to test */
    
19. #define SECTOR_OFFSET 0
    
20. int main(void)
    
21. {
    
22.         int Status;
    
23.         xil_printf("SD Raw Read/ Write Test \r\n");
    
24.         Status = SdpsRawTest();
    
25.         if (Status != XST_SUCCESS) {
    
26.                 xil_printf("SD Raw Read/ Write Test failed \r\n");
    
27.                 return XST_FAILURE;
    
28.         }
    
29.         xil_printf("Successfully ran SD Raw Read/ Write Test \r\n");
    
30.         return XST_SUCCESS;
    
31. }
    
32. 
    
33. /*****************************************************************************/
    
34. /**
    
35. *
    
36. * This function performs the SD Raw Read/ Write Test.
    
37. *
    
38. * @param        None
    
39. *
    
40. * @return        XST_SUCCESS if successful, otherwise XST_FAILURE.
    
41. *
    
42. * @note                None
    
43. *
    
44. ******************************************************************************/
    
45. static int SdpsRawTest(void)
    
46. {
    
47.         static XSdPs SdInstance;
    
48.         XSdPs_Config *SdConfig;
    
49.         int Status;
    
50.         u32 BuffCnt;
    
51.         u32 i;
    
52.         /*
    
53.          * 由于块大小是512，因此每次访问的大小为n*512,地址不能跨块.
    
54.          */
    
55.         u32 FileSize = (512*NUM_BLOCKS); /* File Size is only up to 2MB */
    
56.         u32 Sector = SECTOR_OFFSET;
    
57. //初始化测试数据
    
58.         for(BuffCnt = 0; BuffCnt < FileSize; BuffCnt++){
    
59.                 SourceAddress[BuffCnt] = TEST + BuffCnt;
    
60.         }
    
61. 
    
62.         /*
    
63.          * 以下代码XSdPs_LookupConfig、XSdPs_CfgInitialize、XSdPs_CardInitialize完成SD卡或者EMMC初始化
    
64.          */
    
65.         SdConfig = XSdPs_LookupConfig(XPAR_XSDPS_1_DEVICE_ID);
    
66.         if (NULL == SdConfig) {
    
67.                 return XST_FAILURE;
    
68.         }
    
69. 
    
70.         Status = XSdPs_CfgInitialize(&SdInstance, SdConfig,
    
71.                                         SdConfig->BaseAddress);
    
72.         if (Status != XST_SUCCESS) {
    
73.                 return XST_FAILURE;
    
74.         }
    
75. 
    
76.         Status = XSdPs_CardInitialize(&SdInstance);
    
77.         if (Status != XST_SUCCESS) {
    
78.                 return XST_FAILURE;
    
79.         }
    
80.         /*
    
81.          * Write data to SD/eMMC.
    
82.          */
    
83.         if (!(SdInstance.HCS)) Sector *= XSDPS_BLK_SIZE_512_MASK;
    
84.         for(i=0;i<100;i++)//完成100次测试，每次写入2MB 共计200MB
    
85.         {
    
86.                 Status = XSdPs_WritePolled(&SdInstance, Sector+i*NUM_BLOCKS, NUM_BLOCKS,
    
87.                                    SourceAddress);
    
88.                 if (Status != XST_SUCCESS) {
    
89.                         return XST_FAILURE;
    
90.                 }
    
91. }
    
92.         /*
    
93.          * Read data from SD/eMMC.每次读出2MB共计100MB
    
94.          */
    
95. for(i=0;i<100;i++){
    
96.                 Status  = XSdPs_ReadPolled(&SdInstance, Sector+i*NUM_BLOCKS, NUM_BLOCKS,
    
97.                                    DestinationAddress);
    
98.                 if (Status!=XST_SUCCESS) {
    
99.                         return XST_FAILURE;
    
100.                 }
     
101.         /*
     
102.          * 对比数据是否正确
     
103.          */
     
104.                 for(BuffCnt = 0; BuffCnt < FileSize; BuffCnt++){
     
105.                         if(SourceAddress[BuffCnt] != DestinationAddress[BuffCnt]){
     
106.                                 return XST_FAILURE;
     
107.                         }
     
108.                 }
     
109.         }
     
110.         return XST_SUCCESS;
     
111. }

复制代码

8.2SD_Fat32_Test程序

SD_Fat32_Test使用了文件系统，我们主要看下如何应用，以下直接给出代码：

1. #include <stdio.h>
   
2. #include "xparameters.h"
   
3. #include "xsdps.h"
   
4. #include "xil_printf.h"
   
5. #include "ff.h"
   
6. 
   
7. static FATFS SD_Dev; // File System instance
   
8. char *SD_Path = "0:/";  //  string pointer to the logical drive number
   
9. static char FileName[32] = "test.txt"; // name of the log
   
10. 
    
11. u8 WR_Buf[1024] __attribute__ ((aligned(32))); // Buffer should be word aligned (multiple of 4)
    
12. u8 RD_Buf[1024] __attribute__ ((aligned(32))); // Buffer should be word aligned (multiple of 4)
    
13. 
    
14. int SD_init()
    
15. {
    
16.         FRESULT result;
    
17.         //-----------------------mount dev-----------------------------------------------
    
18.         result = f_mount(&SD_Dev,SD_Path, 0);
    
19.         if (result != 0) {
    
20.                 return XST_FAILURE;
    
21.         }
    
22.         return XST_SUCCESS;
    
23. }
    
24. 
    
25. int SD_read(char *FileName,u8 *DestinationAddress,u32 ByteLength)
    
26. {
    
27.         FIL file;
    
28.         FRESULT result;
    
29.         UINT BytesRd;
    
30. 
    
31.         result = f_open(&file,FileName,FA_READ);
    
32.         if(result)
    
33.         {
    
34.                 return XST_FAILURE;
    
35.         }
    
36. 
    
37.         result = f_lseek(&file, 0);
    
38.         if(result)
    
39.         {
    
40.                 return XST_FAILURE;
    
41.         }
    
42. 
    
43.         result = f_read(&file, (void*)DestinationAddress,ByteLength,&BytesRd);
    
44.         if(result)
    
45.         {
    
46.                 return XST_FAILURE;
    
47.         }
    
48. 
    
49.         result = f_close(&file);
    
50.         if(result)
    
51.         {
    
52.                 return XST_FAILURE;
    
53.         }
    
54.         return XST_SUCCESS;
    
55. }
    
56. 
    
57. int SD_write(char *FileName,u8 *SourceAddress,u32 ByteLength)
    
58. {
    
59.         FIL file;
    
60.         FRESULT result;
    
61.         UINT BytesWr;
    
62. 
    
63.         result = f_open(&file,FileName,FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);
    
64.         if(result)
    
65.         {
    
66.                 return XST_FAILURE;
    
67.         }
    
68. 
    
69.         result = f_lseek(&file, 0);
    
70.         if(result)
    
71.         {
    
72.                 return XST_FAILURE;
    
73.         }
    
74. 
    
75.         result = f_write(&file,(void*) SourceAddress,ByteLength,&BytesWr);
    
76.         if(result)
    
77.         {
    
78.                 return XST_FAILURE;
    
79.         }
    
80. 
    
81.         result = f_close(&file);
    
82.         if(result){
    
83.                 return XST_FAILURE;
    
84.         }
    
85. 
    
86.         return XST_SUCCESS;
    
87. }
    
88. 
    
89. int main()
    
90. {
    
91. 
    
92.         int i;
    
93.         FRESULT result;
    
94.         u8 SD_ERROR=0;
    
95.         u32 Buffer_size=1024;
    
96. 
    
97.         SD_init();
    
98. 
    
99.         for(i=0;i<Buffer_size;i++)
    
100.         {
     
101.                 WR_Buf[i]=i;
     
102.         }
     
103. //-----------------------write test data to file-----------------------------------
     
104.         result=SD_write(FileName, WR_Buf, Buffer_size);
     
105.         if (result!=0)
     
106.         {
     
107.                 return XST_FAILURE;
     
108.         }
     
109.         xil_printf("SD CARD  written Successfully\r\n");
     
110. 
     
111. //-----------------------read test data ------------------------------------------
     
112.         result=SD_read(FileName, RD_Buf, Buffer_size);
     
113.         if (result!=0)
     
114.         {
     
115.                 return XST_FAILURE;
     
116.         }
     
117.         xil_printf("SD CARD Data read Successfully\r\n");
     
118. 
     
119. //-----------------------check data-----------------------------------------------
     
120.         for(i=0; i<Buffer_size;i++)
     
121.         {
     
122.                 if(WR_Buf[i]!=RD_Buf[i])
     
123.                 {
     
124.                         SD_ERROR=1;
     
125.                         break;
     
126.                 }
     
127.         }
     
128.         if(SD_ERROR)
     
129.                         xil_printf("SD CARD  Data checked Error\r\n");
     
130.         else
     
131.                         xil_printf("SD CARD Data checked Successfully\r\n");
     
132. 
     
133.     return 0;
     
134. }

复制代码

9方案演示
9.1硬件准备
本实验需要用到 JTAG 下载器、USB 转串口外设，另外需要把核心板上的 2P 模式开关设置到 JTAG 模式，即 ON ON(注意新版本的 MLK_H3_CZ08-7100-MZ7100FC)，支持 JTAG 模式，对于老版本的核心板，JTAG 调试的时候 一定要拔掉 TF 卡，并且设置模式开关为 OFF OFF)
​
9.2实验结果
​
​