文章目錄

一、SD NAND特征

1.1 SD卡簡(jiǎn)介

1.2 SD卡Block圖

二、SD卡樣片

三、Zynq測(cè)試平臺(tái)搭建

3.1 測(cè)試流程

3.2 SOC搭建

四、軟件搭建

五、測(cè)試結(jié)果

六、總結(jié)

一、SD NAND特征

1.1 SD卡簡(jiǎn)介

??雷龍的SD NAND有很多型號(hào)，在測(cè)試中使用的是CSNP4GCR01-AWM與CSNP32GCR01-AOW。芯片是基于NAND FLASH和 SD控制器實(shí)現(xiàn)的SD卡。具有強(qiáng)大的壞塊管理和糾錯(cuò)功能，并且在意外掉電的情況下同樣能保證數(shù)據(jù)的安全。

??其特點(diǎn)如下：

接口支持SD2.0 2線或4線；

電壓支持：2.7V-3.6V；

默認(rèn)模式:可變時(shí)鐘速率0 - 25MHz，高達(dá)12.5 MB/s的接口速度(使用4條并行數(shù)據(jù)線)

高速模式:可變時(shí)鐘速率0 - 50MHz，高達(dá)25 MB/s的接口速度(使用4條并行數(shù)據(jù)線)

工作溫度：-40°C ~ +85°C

存儲(chǔ)溫度：-55°C ~ +125°C

待機(jī)電流小于250uA

修正內(nèi)存字段錯(cuò)誤；

內(nèi)容保護(hù)機(jī)制——符合SDMI最高安全標(biāo)準(zhǔn)

SDNAND密碼保護(hù)(CMD42 - LOCK_UNLOCK)

采用機(jī)械開(kāi)關(guān)的寫(xiě)保護(hù)功能

內(nèi)置寫(xiě)保護(hù)功能(永久和臨時(shí))

應(yīng)用程序特定命令

舒適擦除機(jī)制

??該SD卡支持SDIO讀寫(xiě)和SPI讀寫(xiě)，最高讀寫(xiě)速度可達(dá)25MB/s，實(shí)際讀寫(xiě)速度要結(jié)合MCU和接口情況實(shí)測(cè)獲得。通常在簡(jiǎn)單嵌入式系統(tǒng)并對(duì)讀寫(xiě)速度要求不高的情況下，會(huì)使用SPI協(xié)議進(jìn)行讀寫(xiě)。但不管使用SDIO還是SPI都需要符合相關(guān)的協(xié)議規(guī)范，才能建立相應(yīng)的文件系統(tǒng)；

1.2 SD卡Block圖

?該SD卡封裝為L(zhǎng)GA-8；引腳分配與定義如下；在這里插入圖片描述:

二、SD卡樣片

??與樣片同時(shí)寄來(lái)的還有轉(zhuǎn)接板，轉(zhuǎn)接板將LGA-8封裝的芯片轉(zhuǎn)接至SD卡封裝，這樣只需將轉(zhuǎn)接板插入SD卡卡槽即可使用。

在這里插入圖片描述:

三、Zynq測(cè)試平臺(tái)搭建

• ??測(cè)試平臺(tái)為 Xilinx 的Zynq 7020 FPGA芯片；
• ??板卡：Digilent Zybo Z7
• ??Vivado版本：2018.3
• ??文件系統(tǒng)：FATFS
• ??SD卡接口：SD2.0

3.1 測(cè)試流程

??本次測(cè)試主要針對(duì)4G和32G兩個(gè)不同容量的SD卡，在Zynq FPGA上搭建SD卡讀寫(xiě)回路，從而對(duì)SD卡讀寫(xiě)速度進(jìn)行測(cè)試，并檢驗(yàn)讀寫(xiě)一致性；

測(cè)試流程：

??進(jìn)入測(cè)試程序前，首先會(huì)對(duì)SD卡初始化并初始化建立FATFS文件系統(tǒng)，隨后進(jìn)入測(cè)試SD卡測(cè)試程序，在測(cè)試程序中，會(huì)寫(xiě)入一定大小的文件，然后對(duì)寫(xiě)入文件的時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，得到寫(xiě)入時(shí)間；然后再將寫(xiě)入的文件讀出，測(cè)量獲得讀出時(shí)間，并將讀出數(shù)據(jù)與寫(xiě)入數(shù)據(jù)相比較，檢測(cè)是否讀寫(xiě)出錯(cuò)。

??通過(guò)寫(xiě)入時(shí)間、讀出時(shí)間可計(jì)算得到寫(xiě)入速度、讀出速度；將以上過(guò)程重復(fù)100次并打印報(bào)告。

3.2 SOC搭建

??硬件搭建框圖如下，我們?cè)诒敬蜗到y(tǒng)中使用PS端的SDIO接口來(lái)驅(qū)動(dòng)SD NAND芯片，并通過(guò)UART向PC打印報(bào)告；

??PL端的硬件搭建也很簡(jiǎn)單，只需一個(gè)Timer定時(shí)器來(lái)做時(shí)間測(cè)量；

我們直接使用Zybo板卡文件創(chuàng)建一個(gè)工程，工程會(huì)將Zybo具有的硬件資源配置好；

首先點(diǎn)擊setting->IP->Repository->+；添加Timer IP核的路徑，Timer IP核會(huì)在工程中給出；

?點(diǎn)擊Create Block Design創(chuàng)建BD工程

?在創(chuàng)建的過(guò)程中添加Zynq 內(nèi)核；

由于我們使用了板卡文件，所以內(nèi)核IP是配置好的，我們只需稍作修改即可，如果是其他板卡，則需要自行配置DDR等配置；

??雙擊內(nèi)核IP，點(diǎn)擊Clock Configuration->PL Fabric Clocks，將FCLK_CLK0的時(shí)鐘頻率修改為100Mhz

?添加TimerA IP；

依次點(diǎn)擊上方的自動(dòng)設(shè)計(jì)，完成SOC搭建；

?點(diǎn)擊BD設(shè)計(jì)，并創(chuàng)建頂層文件

生成比特流文件；

在生成比特流文件后，將其導(dǎo)入SDK；

??點(diǎn)擊Export->Export Hardware，導(dǎo)出硬件；然后點(diǎn)擊Launch SDK打開(kāi)SDK進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)；

四、軟件搭建

??在SDK中新建一個(gè)空白工程；

??點(diǎn)擊file -> new -> Application project;

在新建的過(guò)程中創(chuàng)建一個(gè)main.c文件，并在里面編寫(xiě)測(cè)試程序如下：

??在每次讀寫(xiě)開(kāi)始前，通過(guò)TimerA0_start()函數(shù)開(kāi)始計(jì)時(shí)，在讀寫(xiě)結(jié)束后可以通過(guò)TimerA0_stop()結(jié)束計(jì)時(shí)，從而測(cè)得消耗時(shí)間。

??相應(yīng)的Timer驅(qū)動(dòng)函數(shù)在user/TimerA_user.c中定義；

1. #include "xparameters.h" /* SDK generated parameters */
2. #include "xsdps.h" /* SD device driver */
3. #include "xil_printf.h"
4. #include "ff.h"
5. #include "xil_cache.h"
6. #include "xplatform_info.h"
7. #include "time.h"
8. #include "../user/headfile.h"
10. #define PACK_LEN 32764
12. static FIL fil; /* File object */
13. static FATFS fatfs;
15. static char FileName[32] = "Test.txt";
16. static char *SD_File;
18. char DestinationAddress[PACK_LEN] ;
20. char txt[1024];
21. char test_buffer[PACK_LEN];
23. void TimerA0_init()
24. {
25. TimerA_reset(TimerA0);//reset timerA device
26. TimerA_Set_Clock_Division(TimerA0,100);//divide clock as 100000000/100 = 1Mhz
27. TimerA_Stop_Counter(TimerA0);//stop timerA
28. }
30. void TimerA0_start()
31. {
32. TimerA_SetAs_CONTINUS_Mode(TimerA0);
33. }
35. void TimerA0_stop()
36. {
37. TimerA_Stop_Counter(TimerA0);
38. }
43. uint32 SDCard_test()
44. {
45. uint8 Res;
46. uint32 NumBytesRead;
47. uint32 NumBytesWritten;
48. uint32 BuffCnt;
49. uint8 work[FF_MAX_SS];
50. uint32 take_time=0;
51. uint32 speed = 0;
52. uint32 test_time = 0;
53. uint32 w_t=0;
54. uint32 r_t=0;
55. float wsum = 0;
56. float rsum = 0;
59. TCHAR *Path = "0:/";
61. for(int i=0;i
62. {
63. test_buffer[i] = 'a';
64. }
66. Res = f_mount(&fatfs, Path, 0);
68. if (Res != FR_OK) {
69. return XST_FAILURE;
70. }
72. Res = f_mkfs(Path, FM_FAT32, 0, work, sizeof work);
73. if (Res != FR_OK) {
74. return XST_FAILURE;
75. }
77. SD_File = (char *)FileName;
79. Res = f_open(&fil, SD_File, FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE | FA_READ);
80. if (Res) {
81. return XST_FAILURE;
82. }
84. Res = f_lseek(&fil, 0);
85. if (Res) {
86. return XST_FAILURE;
87. }
89. while(1)
90. {
91. TimerA_reset(TimerA0);
92. TimerA0_start();
93. Res = f_write(&fil, (const void*)test_buffer, PACK_LEN,
94. &NumBytesWritten);
95. TimerA0_stop();
96. take_time = TimerA_Read_Counter_Register(TimerA0);
97. w_t+=take_time;
98. xil_printf("--------------------------------\n");
99. xil_printf("take time:%d us\n",take_time);
100. speed = PACK_LEN*(1000000/((float)(take_time)));
101. sprintf(txt,"write speed:%.2f MB/s\n",(float)(speed)/1024/1024);
102. wsum = wsum+speed;
103. xil_printf(txt);
104. xil_printf("--------------------------------\n");
105. if (Res) {
106. return XST_FAILURE;
107. }
109. Res = f_lseek(&fil, 0);
110. if (Res) {
111. return XST_FAILURE;
112. }
114. TimerA_reset(TimerA0);
115. TimerA0_start();
116. Res = f_read(&fil, (void*)DestinationAddress, PACK_LEN,
117. &NumBytesRead);
118. TimerA0_stop();
119. take_time = TimerA_Read_Counter_Register(TimerA0);
120. r_t+=take_time;
121. xil_printf("--------------------------------\n");
122. xil_printf("take time:%d us\n",take_time);
123. speed = PACK_LEN*(1000000/((float)(take_time)));
124. sprintf(txt,"read speed:%.2f MB/s\n",(float)(speed)/1024/1024);
125. rsum = rsum+speed;
126. xil_printf(txt);
127. xil_printf("--------------------------------\n");
128. if (Res) {
129. return XST_FAILURE;
130. }
133. for(BuffCnt = 0; BuffCnt < PACK_LEN; BuffCnt++){
134. if(test_buffer[BuffCnt] != DestinationAddress[BuffCnt]){
135. xil_printf("%dno",BuffCnt);
136. return XST_FAILURE;
137. }
138. }
139. xil_printf("test num:%d data check right!\n",test_time+1);
140. test_time++;
141. if(test_time==100)
142. {
143. sprintf(txt,"Total write: %.2f KB,Take time:%.2f ms, Write speed:%.2f MB/s\n",PACK_LEN*100/1024.0,w_t/100.0/1000.0,wsum/100/1024/1024);
144. xil_printf(txt);
145. sprintf(txt,"Total read: %.2f KB,Take time:%.2f ms, Read speed:%.2f MB/s\n",PACK_LEN*100/1024.0,r_t/100.0/1000.0,rsum/100/1024/1024);
146. xil_printf(txt);
147. Res = f_close(&fil);
148. if (Res) {
149. return XST_FAILURE;
150. }
151. return 0;
152. }
153. }
155. }
157. int main(void)
158. {
159. TimerA0_init();
161. SDCard_test();
162. xil_printf("finish");
163. return 0;
164. }

五、測(cè)試結(jié)果

??經(jīng)測(cè)試，兩種型號(hào)的芯片讀寫(xiě)速度如下圖表所示。

??其SD NAND的讀寫(xiě)速度隨著讀寫(xiě)數(shù)據(jù)量的增加而增加，并且讀速率大于寫(xiě)速率，這符合SD卡的特性；

??對(duì)比兩種型號(hào)SD NAND芯片，發(fā)現(xiàn)CSNP32GCR01-AOW型號(hào)具有更高的讀寫(xiě)速度；

六、總結(jié)

??本來(lái)打算拿這些樣片去試試信息安全領(lǐng)域是否有所應(yīng)用，但發(fā)現(xiàn)其似乎內(nèi)置了復(fù)位或初始化，導(dǎo)致無(wú)法提取上電時(shí)的不確定值，故無(wú)法提取該SD NAND的物理不可克隆特性，所以這方面的測(cè)試無(wú)法進(jìn)行；

??對(duì)于芯片正常讀寫(xiě)的測(cè)試結(jié)果，還是很讓人滿意的，芯片的價(jià)格也很合理。并且LGA-8封裝更適合無(wú)卡槽的嵌入式開(kāi)發(fā)板設(shè)計(jì)，在一定的應(yīng)用領(lǐng)域有著簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)、減小硬件面積的功能。

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【本文轉(zhuǎn)載自CSDN，作者：PPRAM】