基于ARM9的SD/MMC卡控制器的ASIC设计

引言

　　如今多媒体数码产品的迅猛发展，其中，各种音频视频等功能的不断增强，使得系统对于存储介质的性能，容量，安全等方面的要求与日俱增。MMC卡和SD卡均是基于flash的存储设备，近年来，它们以高存储容量，快速的数据传输速率，加上极大的移动灵活性和更高的安全性已经成为闪存市场的标准，其广泛应用于手机，MP3,MP4,掌上电脑等各种产品中。可见，其已经成为面向便携式数码电子产品的SOC芯片中通用的功能接口。

　　文章设计的SD/MMC控制器基于一款3G手机基带芯片，其内核采用ARM926EJ，系统总线架构为AMBA，控制器连接到APB总线上。通过分析SD卡和MMC卡的规范，利用Verilog HDL实现了符合该规范的SD/MMC卡控制器IP核，该IP在SMIC的0.13um标准单元工艺库下对模型进行了综合和优化。

　　1 SD/MMC卡控制器工作原理

　　SD（Secure Digital）卡和MMC（Multi Media Card）卡是市面上常见的两种数据存储卡。SD卡向下兼容MMC卡。

　　两者基本特性相同，只是在数据接口以及传输模式上有一些区别：SD卡的数据线为4根，而MMC卡只有1根；SD卡支持安全性保护；而MMC卡支持比特流传输（不限长传输，即必须接受到停止命令时才停止传输）。

　　控制器就是通过SD/MMC总线对SD/MMC卡进行初始化，读，写等一系列操作。其总线包括时钟线CLK，命令线CMD,数据线DAT3-DAT0（MMC卡只有DAT0）等。上电后，控制器必须按一定的总线协议传输命令给卡，使其初始化。总线上一共有三种数据格式：命令包，响应包，数据包。由于在传输中数据和命令均有可能出错，命令带有7位的CRC校验码，数据带有16位的CRC校验码。

　　控制器对卡进行读操作时，将接收到的串行数据（可能是比特流，也可能是多块）转换为并行数据，存入FIFO.写操作也是相同的，控制器将并行数据从FIFO里面取出，串行发出。

　　SD/MMC 卡的工作时钟来源于控制器，对卡的命令或数据传输等一系列操作均要与该时钟同步。该时钟可以通过控制器进行配置，以适应不同工作状态中卡正常工作所需的不同时钟频率。需要注意的是，SD 卡的最大工作频率是25Mhz，MMC 卡的最大工作频率是20Mhz.

　　总之，控制器不仅要输出合适的工作时钟，还要完成对命令/响应以及数据读写的正常工作，并针对命令和数据进行CRC 校验，中断的及时产生和清除。

　　2 控制器设计与实现

　　2.1 模块划分

　　在整个SOC 中，我们这片TD 基带芯片采用的是ARM926EJ-S 内核，系统架构为AMBA 总线。在设计中，将SD/MMC 卡控制器作为APB 的SLAVE 挂在APB 总线上，ARM 通过APB 总线来访问和控制该模块。本模块主要分为接口模块，CMD 控制模块及DATA 控制模块三部分。其结构框图如图1 所示。

 

图1 SD/MMC 控制器结构

　　接口模块实现与ARM 的APB 总线相连接，通过该模块，ARM 可以对相应寄存器进行读写，从而实现对本模块和外部存储卡的控制。其读写时序按照APB 总线读写时序，具体见文献。

　　CMD 控制模块主要发送和接收CMD 线上的信号。控制器发送给卡的命令长度固定为48bit，而从卡接收到的响应长度不固定，有短应答（48bit）和长应答（136bit）之分。

　　其中，包含CRC7 的子模块，不管是命令还是响应，均要用到CRC 校验。

　　DATA 控制模块主要是通过RXDATA 数据线接收数据，并通过TXDATA 发送数据。主要的数据传输方式有两种：比特流数据传输和多块数据传输，另外，该控制器还支持无响应包数据传输。为确保传输的正确，包含了CRC16 校验的子模块。