基于ARM9的SD/MMC卡控制器的ASIC設(shè)計(jì)

0 引言

如今多媒體數(shù)碼產(chǎn)品的迅猛發(fā)展，其中，各種音頻視頻等功能的不斷增強(qiáng)，使得系統(tǒng)對于存儲介質(zhì)的性能，容量，安全等方面的要求與日俱增。MMC卡和SD卡均是基于flash的存儲設(shè)備，近年來，它們以高存儲容量，快速的數(shù)據(jù)傳輸速率，加上極大的移動靈活性和更高的安全性已經(jīng)成為閃存市場的標(biāo)準(zhǔn)，其廣泛應(yīng)用于手機(jī)，MP3，MP4，掌上電腦等各種產(chǎn)品中。可見，其已經(jīng)成為面向便攜式數(shù)碼電子產(chǎn)品的SOC芯片中通用的功能接口。

文章設(shè)計(jì)的SD/MMC控制器基于一款3G手機(jī)基帶芯片，其內(nèi)核采用ARM926EJ，系統(tǒng)總線架構(gòu)為AMBA，控制器連接到APB總線上。通過分析SD卡和MMC卡的規(guī)范，利用Verilog HDL實(shí)現(xiàn)了符合該規(guī)范的SD/MMC卡控制器IP核，該IP在SMIC的0.13um標(biāo)準(zhǔn)單元工藝庫下對模型進(jìn)行了綜合和優(yōu)化。

1 SD/MMC卡控制器工作原理

SD(Secure Digital)卡和MMC(Multi Media Card)卡是市面上常見的兩種數(shù)據(jù)存儲卡。SD卡向下兼容MMC卡。

兩者基本特性相同，只是在數(shù)據(jù)接口以及傳輸模式上有一些區(qū)別：SD卡的數(shù)據(jù)線為4根，而MMC卡只有1根；SD卡支持安全性保護(hù)；而MMC卡支持比特流傳輸(不限長傳輸，即必須接受到停止命令時才停止傳輸)。

控制器就是通過SD/MMC總線對SD/MMC卡進(jìn)行初始化，讀，寫等一系列操作。其總線包括時鐘線CLK，命令線CMD，數(shù)據(jù)線DAT3-DAT0(MMC卡只有DAT0)等。上電后，控制器必須按一定的總線協(xié)議傳輸命令給卡，使其初始化?？偩€上一共有三種數(shù)據(jù)格式：命令包，響應(yīng)包，數(shù)據(jù)包。由于在傳輸中數(shù)據(jù)和命令均有可能出錯，命令帶有7位的CRC校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)帶有16位的CRC校驗(yàn)碼。

控制器對卡進(jìn)行讀操作時，將接收到的串行數(shù)據(jù)(可能是比特流，也可能是多塊)轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，存入FIFO。寫操作也是相同的，控制器將并行數(shù)據(jù)從FIFO里面取出，串行發(fā)出。

SD/MMC卡的工作時鐘來源于控制器，對卡的命令或數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗胁僮骶c該時鐘同步。該時鐘可以通過控制器進(jìn)行配置，以適應(yīng)不同工作狀態(tài)中卡正常工作所需的不同時鐘頻率。需要注意的是，SD卡的最大工作頻率是25Mhz，MMC卡的最大工作頻率是20Mhz.

總之，控制器不僅要輸出合適的工作時鐘，還要完成對命令/響應(yīng)以及數(shù)據(jù)讀寫的正常工作，并針對命令和數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，中斷的及時產(chǎn)生和清除。

2 控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 模塊劃分

在整個SOC中，我們這片TD基帶芯片采用的是ARM926EJ-S內(nèi)核，系統(tǒng)架構(gòu)為AMBA總線。在設(shè)計(jì)中，將SD/MMC卡控制器作為APB的SLAVE掛在APB總線上，ARM通過APB總線來訪問和控制該模塊。本模塊主要分為接口模塊，CMD控制模塊及DATA控制模塊三部分。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

基于ARM9的SD/MMC卡控制器的ASIC設(shè)計(jì)

圖1 SD/MMC控制器結(jié)構(gòu)

接口模塊實(shí)現(xiàn)與ARM的APB總線相連接，通過該模塊，ARM可以對相應(yīng)寄存器進(jìn)行讀寫，從而實(shí)現(xiàn)對本模塊和外部存儲卡的控制。其讀寫時序按照APB總線讀寫時序，具體見文獻(xiàn)。

CMD控制模塊主要發(fā)送和接收CMD線上的信號?？刂破靼l(fā)送給卡的命令長度固定為48bit，而從卡接收到的響應(yīng)長度不固定，有短應(yīng)答(48bit)和長應(yīng)答(136bit)之分。

其中，包含CRC7的子模塊，不管是命令還是響應(yīng)，均要用到CRC校驗(yàn)。

DATA控制模塊主要是通過RXDATA數(shù)據(jù)線接收數(shù)據(jù)，并通過TXDATA發(fā)送數(shù)據(jù)。主要的數(shù)據(jù)傳輸方式有兩種：比特流數(shù)據(jù)傳輸和多塊數(shù)據(jù)傳輸，另外，該控制器還支持無響應(yīng)包數(shù)據(jù)傳輸。為確保傳輸?shù)恼_，包含了CRC16校驗(yàn)的子模塊。

2.2 CMD控制模塊的設(shè)計(jì)

由于SD/MMC卡的操作命令不一致，在模塊中并沒有對命令作譯碼，而是通過軟件來設(shè)置命令的類型。單塊(signalblock data)讀數(shù)據(jù)命令(CMD17)，寫數(shù)據(jù)命令(CMD24)；多塊(multi-block data)讀數(shù)據(jù)命令(CMD18)，寫數(shù)據(jù)命令(CMD25)等需要控制模塊根據(jù)SD_CMD_INDEX寄存器的內(nèi)容來發(fā)布相應(yīng)的命令，并作不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。CMD控制模塊的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

基于ARM9的SD/MMC卡控制器的ASIC設(shè)計(jì)