0 引言

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

文章設計的SD/MMC控制器基于一款3G手機基帶芯片，其內核采用ARM926EJ，系統總線架構為AMBA，控制器連接到APB總線上。通過分析SD卡和MMC卡的規范，利用Verilog HDL實現了符合該規范的SD/MMC卡控制器IP核，該IP在SMIC的0.13um標準單元工藝庫下對模型進行了綜合和優化。

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據存儲卡。SD卡向下兼容MMC卡。

兩者基本特性相同，只是在數據接口以及傳輸模式上有一些區別：SD卡的數據線為4根，而MMC卡只有1根；SD卡支持安全性保護；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，數據線DAT3-DAT0(MMC卡只有DAT0)等。上電后，控制器必須按一定的總線協議傳輸命令給卡，使其初始化。總線上一共有三種數據格式：命令包，響應包，數據包。由于在傳輸中數據和命令均有可能出錯，命令帶有7位的CRC校驗碼，數據帶有16位的CRC校驗碼。

控制器對卡進行讀操作時，將接收到的串行數據(可能是比特流，也可能是多塊)轉換為并行數據，存入FIFO。寫操作也是相同的，控制器將并行數據從FIFO里面取出，串行發出。

SD/MMC卡的工作時鐘來源于控制器，對卡的命令或數據傳輸等一系列操作均要與該時鐘同步。該時鐘可以通過控制器進行配置，以適應不同工作狀態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/響應以及數據讀寫的正常工作，并針對命令和數據進行CRC校驗，中斷的及時產生和清除。

2 控制器設計與實現

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內核，系統架構為AMBA總線。在設計中，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。其結構框圖如圖1所示。

接口模塊實現與ARM的APB總線相連接，通過該模塊，ARM可以對相應寄存器進行讀寫，從而實現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。

CMD控制模塊主要發送和接收CMD線上的信號。控制器發送給卡的命令長度固定為48bit，而從卡接收到的響應長度不固定，有短應答(48bit)和長應答(136bit)之分。

其中，包含CRC7的子模塊，不管是命令還是響應，均要用到CRC校驗。

DATA控制模塊主要是通過RXDATA數據線接收數據，并通過TXDATA發送數據。主要的數據傳輸方式有兩種：比特流數據傳輸和多塊數據傳輸，另外，該控制器還支持無響應包數據傳輸。為確保傳輸的正確，包含了CRC16校驗的子模塊。

2.2 CMD控制模塊的設計

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，而是通過軟件來設置命令的類型。單塊(signalblock data)讀數據命令(CMD17)，寫數據命令(CMD24)；多塊(multi-block data)讀數據命令(CMD18)，寫數據命令(CMD25)等需要控制模塊根據SD_CMD_INDEX寄存器的內容來發布相應的命令，并作不同的狀態轉換。CMD控制模塊的狀態轉換圖如圖2所示。

2.3 DATA控制模塊的設計

本模塊主要功能是向卡發送數據和從卡讀取數據，另外，針對SD卡該模塊可以通過DATA[3]檢測卡是否插入，通過DATA[2]發送讀等待信號，通過DATA[1]接收卡送來的中斷信號以及通過DATA[0]來檢測卡是否處于忙狀態。