SD-Host控制器设计架构

SD Host功能列表

• SD Host挂接在SoC中,与外部的SD card进行交互
• 有控制寄存器和状态寄存器,SoC往往有CPU,通过CPU进行配置寄存器,有些SoC没有CPU,需要使用I2C或者SPI可以进行写寄存器
• 内建DMA-数据需要从外部将数据读取到buffer中,然后再对于SD卡进行写操作;对于读操作,首先先将SD卡读取到控制器中buffer中,再从buffer中将数据存储到SoC中的存储单元中,数据搬移需要使用DMA
• DMA也是挂接在AHB总线上的
• 数据缓存的FiFo和内嵌DMA模块
• SD卡的时钟频率比较低,所以需要分频电路
• 读操作,硬件停时钟功能,当读数据的时候,fifo读满之后,不能继续读取sd card中的内容,在等待DMA搬移数据的过程中,可以停止时钟,DMA搬移完fifo中的数据后,可以打开时钟

架构

• 先将外部需要的接口画出来:AHB总线和SD总线
• SD Host是基于AHB总线的,并且有一些控制和状态寄存器,所以需要设置ahb_slave_if模块,处理AHB信号
• ahb_slave_if中有控制寄存器,进行任务驱动,产生任务信息给到sd_ctrl模块
• 设置一个sd_ctrl模块发起对于sd总线的请求
• sd_ctrl与sd总线的交互除了有命令总线还有数据总线,都是双向的
• ahb时钟比较快,sd时钟比较慢,所以需要有 一个时钟分频模块
  
  
• 根据配置信息,产生命令,启动SD ctrl进行一些命令的发送
• 需要有一个缓存存储数据(FiFo),对于读数据,sd_ctrl控制数据总线,读取数据从sd总线上读取出来存储到fifo中,fifo中的数据满了之后,通过DMA将数据存储到SoC中的存储单元中
• DMA-搬运数据的时候是一个master,控制总线,发送数据
• ahb_slave_if模块是slave
  
  
  
  

sd_ctrl模块

• 对于sd card进行读写,当上电之后,sd card处于idle状态,需要通过命令发送跳转到data transfer state,才可以进行数据的读写,如果想要让sd card处于data transfer状态,需要配置很多命令才可以
• sd协议的状态机比较复杂,有两种设计思路
  
  1.通过硬件实现所有的状态机,包括卡识别模式和数据传输模式
  
  每一步操作都需要很多的指令,首先需要在ahb_slave_if模块中通过软件配置所有的操作,需要定义整个过程的操作以及每个操作所需的指令是什么;比如:在standby模式下有时候需要设置CMD4,有时候需要配置CMD9,在standby的时候,是否需要配置这写命令需要软件配置,硬件实现全部的功能
  
  优点:集中式的配置,事先将所有的操作都配置好,发起启动信号之后,由硬件进行执行,和CPU交互频率较低,CPU负担较轻
  
  缺点:硬件实现非常复杂,后期更改软件灵活性差
  
  2.将硬件的执行力度降低,硬件操作的时候有两种:一种进行数据传输或者只进行命令传输,可以以一条指令的数据传输为粒度进行设计状态机,硬件只实现一条CMD的发送和response的接收,只实现一条CMD对应的data的发送和接收
  
  整个流程的控制权全部交给CPU,也就是软件,硬件只实现最小粒度的命令发送和接收,以及数据发送和接收
  
  优点:硬件实现代价小,软件的灵活性非常大
  
  缺点:CPU需要和SD Host进行大量的交互,CPU负担较重
  
  
• cmd发送和response返回都是类似的
  
  CPU与SD Host通过中断进行交互,SD Host也会发送中断给到中断控制器,CPU收到中断之后,需要进入中断处理程序处理中断
• CPU与IP通过中断通信,SD Host发送中断出来,给到中断控制器,每一条指令,中断控制器将中断上报给CPU,CPU进行响应中断,决策下一步做什么
• IDLE的时候,CPU发送ACMD41,CPU会等待中断,card接收到ACMD41之后,会返回一个response给到host,host接收到reponse之后,会返回中断给到CPU,CPU收到中断之后,CPU会查询SD Host中的寄存器,如果读取的寄存器的值是busy的,CPU会再次发送ACMD41
  
  

CMD发送

• CMD发送的时序是类似的,可以设置一个状态机,实现CMD的发送和response接收
• 接收来自ahb_salve_if的配置
• 再设置一个状态机,实现data的发送和接收
  
  
  
  

SD Host控制功能列表

SD Host控制器软硬件模块划分

• 对于复杂的流程交给软件控制,硬件只进行一条命令及数据处理
• AHB有两个接口,一个master接口,DMA主动发起请求;写操作,DMA从外部搬移数据发送出去,读操作,从FIFO中读取数据,将数据发送给AHB总线;一个从接口(AHB_slave_if)
• 软件主要配置寄存器,然后等待中断
• 硬件工程师写好程序,根据不同的操作执行不同的函数,配置不同的寄存器进行不同的操作
• 硬件给出不同操作的状态位(更新状态寄存器中的值)或者产生中断信号

SD Host控制器模块功能描述

• 通过异步fifo实现不同时钟域之间数据的传递
• 分频参数通过ahb_slave_if中进行配置

SD Host模块功能简述

• 卡识别模式和data transfer模式下时钟频率是不同的

SD Host架构设计文档