安全SD卡SoC芯片的SPI接口设计与实现

论文摘要

串行外设接口SPI(Serial peripheral interface)是由Motorola公司提出的一种高速高效的接口技术,支持全双工、同步的串行通信方式。而SD卡(Secure Digital Memory Card)中文翻译为安全数码卡,是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备,它被广泛地应用于便携式装置上。SD卡拥有高存储容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。它是一体化固体介质,由于其没有任何移动部分,因而不用担心机械运动的损坏。SD卡的结构不仅能保证数字文件传送的安全性,而且易于重新格式化。正是由于SD拥有这些显著的优点,所以其应用领域越来越广泛。值得一提的是,SD卡支持SPI传输模式,所以设计一款SPI接口控制器显得尤为重要。对使用者而言,SPI的优势在于对多种设备的兼容。Motorola公司只提出了一种事实标准,并没有标准的版本协议。而大部分厂家都是参照Motorola的SPI接口定义来设计的,这就导致不同厂家的产品在SPI接口技术上存在一定的差别,容易引起歧义。因此,设计一款真正应用广泛的SPI接口控制器需要注意很多细节问题。如果要保证SPI接口控制器能与SD卡进行通信,则要求该接口控制器必须支持Slave的工作模式。在这种工作模式下,传输时钟和片选信号都是由主设备提供的,此时不但会涉及到跨时钟域的技术问题,而且还会遇到传输时序多样性的问题。在设计过程中采用同步器设计传递控制信号的方案解决了跨时钟域的问题,采用支持多种传输模式的方案解决了传输时序多样性的问题。各种验证都表明了设计的正确性与可靠性。除了保证能与SD卡进行通信之外,接口模块还能与SPI FLASH,液晶显示器等进行通信,此时接口模块工作在Master模式下的,在这种工作模式下片选信号和传输时钟均由模块内部产生。当接口模块工作在Master模式下时,同样会遇到传输时序多样性的问题,又SPI协议支持一主多从的工作方式,为了实现一个主模块与两个从模块在不需要硬件复位的前提下交替工作,在原有一条片选信号的基础上又增加一条片选信号线,使得操作变得简单易行。经过精心的设计,本SPI模块可以支持四种不同的传输时序,且可以选择先最高位传输或是先最低位传输,这样,接口模块无论工作在Master模式下还是工作在Slave模式下都能顺利地解决传输时序多样性的问题。同时,由于在发送数据时引入了一级FIFO,这样就进一步提高了数据的传输速度。在现代芯片设计过程中,验证已经成为最重要的一部分。没有经过严格的验证,就不可能生产出合格的产品。同理,在SPI接口控制器的设计过程中,每一个过程都经过了严格的验证,首当其冲的就是对RTL级代码的大量功能验证。在对该SPI接口IP核进行了大量的功能验证与仿真、FPGA验证后,实际地将此应用于一款SoC芯片的SPI接口设计中。目前,该芯片已经成功流片,流片测试结果表明该IP的功能和性能均达到了设计指标,各种通信方式测试结果也都印证了该设计可靠性高、灵活性好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 课题研究的意义
• 1.3 论文结构及相关内容
• 第2章 SoC 芯片及片上总线的分析与研究
• 2.1 SoC 技术概述
• 2.1.1 SoC 设计流程
• 2.1.2 SoC 的关键技术
• 2.1.3 SoC 技术的广泛应用
• 2.2 SoC 芯片总线的研究现状
• 2.2.1 引言
• 2.2.2 SoC 总线的分析与介绍
• 2.2.3 5 种SoC 总线的分析与比较
• 2.2.4 结论
• 2.3 本章小结
• 第3章 SPI 协议现状及 SD 卡的 SPI 传输模式
• 3.1 SPI 协议现状
• 3.1.1 SPI 接口信号
• 3.1.2 SPI 主模式传输
• 3.1.3 SPI 从模式传输
• 3.1.4 SPI 传输格式和时序
• 3.2 SD 卡的SPI 传输模式
• 3.2.1 模式选择
• 3.2.2 总线传输保护
• 3.2.3 数据的读取
• 3.2.4 数据的写入
• 3.2.5 擦除和写保护管理
• 3.2.6 读取CID（通道标志）/CSD（指令信号译码器）寄存器
• 3.2.7 复位次序
• 3.2.8 CRC 和无效命令
• 3.3 本章小结
• 第4章 SPI 接口模块的设计
• 4.1 SPI 接口模块功能特性概述
• 4.1.1 支持主模式和从模式
• 4.1.2 支持四种通信模式
• 4.1.3 支持两个从设备片选
• 4.1.4 支持外接三线/四线模式LCD 显示
• 4.1.5 支持中断请求
• 4.1.6 支持低功耗模式
• 4.1.7 支持方式错误中断请求
• 4.2 SPI 接口模块的系统结构设计
• 4.2.1 SPI 接口模块系统结构图
• 4.2.2 SFR 总线接口模块
• 4.2.3 系统信号模块
• 4.2.4 中断请求模块
• 4.2.5 PAD 接口模块
• 4.3 SPI 接口模块结构设计
• 4.4 SPI 接口模块功能模块设计
• sfrbi）'>4.4.1 SFR 总线接口功能模块（spi_sfrbi）
• pi）'>4.4.2 SPI PAD 接口功能模块（spi_pi）
• int）'>4.4.3 SPI 中断接口功能模块（spi_int）
• core）'>4.4.4 SPI 核心功能模块（spi_core）
• redundancy_code）'>4.4.5 SPI CRC 校验功能模块（spi_redundancy_code）
• 4.5 本章小结
• 第5章 SPI 接口模块的仿真与验证
• 5.1 功能验证与仿真
• 5.1.1 模块级代码的功能验证
• 5.1.2 验证平台的整体验证
• 5.2 FPGA 验证
• 5.2.1 FPGA 验证系统简介
• 5.2.2 从模式下与SD 卡通讯验证
• 5.2.3 CRC 校验的验证
• 5.2.4 主模式下与SPI FLASH 通信
• 5.2.5 主模式下与液晶显示器进行通信
• 5.3 芯片的流片测试（成品测试）
• 5.4 本章小结
• 第6章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及参加科研情况