💾 SD 卡读写实验：FPGA 的小硬盘

这一篇在干嘛？

SD 卡是嵌入式设备里最常见的「小硬盘」，内部自带 NAND Flash 控制器，主机只需要发命令就能读写数据。这一篇我们让 FPGA 通过 SPI 总线对 SD 卡的扇区做最底层的读写：先初始化卡片，再把一个字节写进第一扇区、断电重启后读出来验证——相当于 FPGA 版的「数据掉电不丢」。

实验目标与背景

SD 卡内部集成了 NAND Flash 控制器，负责磨损均衡、坏块管理等麻烦事，对主机暴露的是一套简单的命令接口。本实验的核心目标是：

理解 SD 卡在 SPI 模式下的命令/响应协议；
掌握 SD 卡 2.0 版的初始化流程（CMD0 → CMD8 → CMD55+ACMD41）；
完成单个扇区（512 字节）的读与写，并用数码管显示结果。

文件系统不在此实验范围内

实际的 SD 卡上通常有 FAT 等文件系统，可以按文件名和目录路径读写文件，但文件系统非常复杂，本实验不涉及。我们直接按扇区地址读写裸数据。后续实验会通过搜索特定文件头的方式读出音频、图片等文件，那是以本实验的扇区读写能力为基础的。

实验原理：SPI 模式与命令协议

为什么选 SPI 模式

SD 卡支持多种接口模式。在对读写速度要求不高的场合，SPI 模式是最佳选择——只需要四条线就能完成全部数据交换：

CS（片选）：低电平选中卡片；
SCLK（时钟）：主机提供同步时钟；
MOSI：主机 → 卡，命令与数据；
MISO：卡 → 主机，响应与数据。

命令格式：6 字节命令包

SD 卡的协议是一种「命令/响应」协议：全部命令由主机发起，卡收到命令后返回响应，响应的内容和长度随命令不同而不同。

SD 卡命令是一个 6 字节的命令包：

位置	内容	说明
第 1 字节	命令号	bit7、bit6 固定为 `01`，低 6 位是具体命令号
第 2~5 字节	参数	32 位命令参数，高位在前（MSB First）
第 6 字节	CRC + 结束位	7 bit CRC 校验加 1 bit 结束位（SPI 模式下 CRC 可选）

命令通常用十进制命名，例如 CMD17，其中 Command 就是十进制的 17。

响应格式：R1 / R2 / R3

SPI 模式下有三种响应格式。R1 只有一个字节，每一位的含义如下：

Bit	含义
7	起始位，恒为 0
6	参数错误（Parameter Error）
5	地址错误（Address Error）
4	擦除序列错误（Erase Sequence Error）
3	CRC 错误（CRC Error）
2	非法命令（Illegal Command）
1	擦除复位（Erase Reset）
0	处于 Idle 状态（In Idle State）

R2 在 R1 的基础上追加第二个字节（Out of Range、Erase Parameter、Write Protect Violation、Card ECC Failed、Card Controller Error 等）；R3 在 R1 的基础上追加 4 字节的操作条件寄存器（OCR，MSB First）。

SD 卡 2.0 版初始化步骤

初始化是 SD 卡驱动里最绕的部分，流程如下：

上电后延时至少 74 个时钟，等待 SD 卡内部操作完成；
片选 CS 拉低选中 SD 卡；
发送 CMD0，需要返回 0x01，表示进入 Idle 状态；
发送只有 SD 2.0 才有的 CMD8：若返回无错误，初步判断为 2.0 卡，接着循环发送 CMD55+ACMD41，直到返回 0x00，确定是 SD2.0 卡；
若 CMD8 返回错误，则是 1.0 卡或 MMC 卡：循环发送 CMD55+ACMD41，返回无错误即为 SD1.0 卡；若循环一定次数仍报错，再发送 CMD1 初始化，返回无错误即为 MMC 卡；若仍失败则无法识别该卡，初始化结束；
最后把 CS 拉高。

CMD16 可以改变块长度

通过 CMD16 命令可以修改 SD 卡一次性读写的长度，默认值是 512 字节，正好是一个扇区，本实验直接使用默认值。

读一个块的步骤

发送 CMD17（单块读）或 CMD18（多块读），返回 0x00 表示命令被接受；
接收数据：开始令牌 fe（多块时为 fc）+ 正式数据 512 字节 + CRC 校验 2 字节。

写一个块的步骤

发送 CMD24（单块写）或 CMD25（多块写），返回 0x00；
发送数据：开始令牌 fe（或 fc）+ 正式数据 512 字节 + CRC 校验 2 字节；
连续读取数据响应令牌，读到 8'bxxx00101 表示写成功；
继续读做忙检测：读到 0x00 表示卡正忙，读到 0xff 表示写操作完成。

程序设计

工程分为两层：底层是 spi_master 模块，负责 SPI 一个字节的收发（在其他实验中已讲解）；上层是 sd_card_cmd 模块，负责 SD 卡基本命令、上电初始化的 88 个周期时钟以及数据块的读写。sd_card_cmd 的状态机如下：

命令号的「或 0x40」小机关

查阅其他 SD 卡资料时，你会看到命令号和例程里的写法有区别——其实只是表示方法不同。主机向 SD 卡写命令的实质是：把十六进制命令号的高 8 位与 0x40 做或运算后再写入（因为首字节高两位固定为 01，即 0x40）。所以代码里有了这一段：

if (byte_cnt == 16'd0)
    send_data <= (cmd[47:40] | 8'h40);

else if (byte_cnt == 16'd1)
    send_data <= cmd[39:32];
else if (byte_cnt == 16'd2)
    send_data <= cmd[31:24];
else if (byte_cnt == 16'd3)
    send_data <= cmd[23:16];
else if (byte_cnt == 16'd4)
    send_data <= cmd[15:8];
else if (byte_cnt == 16'd5)
    send_data <= cmd[7:0];
else
    send_data <= 8'hff;

可以看到 48 位命令被拆成 6 个字节依次发出：第 0 字节或上 0x40，后面字节原样发送，发完后补发 0xff 以产生时钟。

sd_card_cmd 模块端口

信号名称	方向	说明
sys_clk	in	时钟输入
rst	in	异步复位输入，高复位
spi_clk_div	in	SPI 时钟分频，SPI 时钟频率=系统时钟/((spi_clk_div+2)*2)
cmd_req	in	sd 卡命令请求
cmd_req_ack	out	sd 卡命令请求应答
cmd_req_error	out	sd 卡命令请求错误
cmd	in	sd 卡命令，命令+参数+CRC，一共 48bit
cmd_r1	in	sd 卡命令期待的 R1 响应
cmd_data_len	in	sd 卡命令后读取的数据长度，大部分命令没有读取数据
block_read_req	in	块数据读取请求
block_read_valid	out	块数据读取数据有效
block_read_data	out	块数据读取数据
block_read_req_ack	out	块数据读取请求应答
block_write_req	in	块数据写请求
block_write_data	in	块数据写数据
block_write_data_rd	out	块数据写数据请求，提前 block_write_data 一个时钟周期
block_write_req_ack	out	块数据写请求应答
nCS_ctrl	out	到 SPI master 控制器，cs 片选控制
clk_div	out	到 SPI Master 控制器，时钟分频参数
spi_wr_req	out	到 SPI Master 控制器，写一个字节请求
spi_wr_ack	in	来自 SPI Master 控制器，写请求应答
spi_data_in	out	到 SPI Master 控制器，写数据
spi_data_out	in	来自 SPI Master 控制器，读数据

模块里定义了两个分频参数，分别对应初始化阶段的慢时钟和数据读写阶段的快时钟：

parameter SPI_LOW_SPEED_DIV = 248
parameter SPI_HIGH_SPEED_DIV = 0

sd_card_sec_read_write 模块

sd_card_sec_read_write 模块继续完成 SD 卡初始化，然后等待扇区读写指令，并完成扇区的读写操作。状态机转换图如下：首先发送 CMD0 命令，然后发送 CMD8 命令，再发送 CMD55，接着发送 ACMD41，如果应答正常，SD 卡初始化完成，等待扇区的读写。

sd_card_sec_read_write 模块状态机

信号名称	方向	说明
clk	in	时钟输入
rst	in	异步复位输入，高复位
sd_init_done	out	sd 卡初始化完成
sd_sec_read	in	sd 卡扇区读请求
sd_sec_read_addr	in	sd 卡扇区读地址
sd_sec_read_data	out	sd 卡扇区读出的数据
sd_sec_read_data_valid	out	sd 卡扇区读出的数据有效
sd_sec_read_end	out	sd 卡扇区读完成
sd_sec_write	in	sd 卡扇区写请求
sd_sec_write_addr	in	sd 卡扇区写请求应答
sd_sec_write_data	in	sd 卡扇区写请求数据
sd_sec_write_data_req	out	sd 卡扇区写请求数据读取，提前 sd_sec_write_data 一个时钟周期
sd_sec_write_end	out	sd 卡扇区写请求完成
spi_clk_div	in	SPI 时钟分频，SPI 时钟频率=系统时钟/((spi_clk_div+2)*2)
cmd_req	in	sd 卡命令请求
cmd_req_ack	out	sd 卡命令请求应答
cmd_req_error	out	sd 卡命令请求错误
cmd	in	sd 卡命令，命令+参数+CRC，一共 48bit
cmd_r1	in	sd 卡命令期待的 R1 响应
cmd_data_len	in	sd 卡命令后读取的数据长度，大部分命令没有读取数据
block_read_req	in	块数据读取请求
block_read_valid	out	块数据读取数据有效
block_read_data	out	块数据读取数据
block_read_req_ack	out	块数据读取请求应答
block_write_req	in	块数据写请求
block_write_data	in	块数据写数据
block_write_data_rd	out	块数据写数据请求，提前 block_write_data 一个时钟周期
block_write_req_ack	out	块数据写请求应答

初始化必须用慢时钟，读写才能切快时钟

SD 卡的初始化过程必须先用慢时钟发送命令和配置，等初始化成功后才能切换到快时钟进行数据读写。这也是为什么模块里要定义 SPI_LOW_SPEED_DIV = 248（很慢）和 SPI_HIGH_SPEED_DIV = 0（很快）两个参数。上电就用高速时钟跟卡通信，是新手最常见的「初始化一直失败」的原因。

引脚约束

时钟 CLK 选择核心板时钟一>6，复位键1，键2累加，TF卡引脚根据《开发板手册》。

set_pin_assignment { SD_DCLK } { LOCATION = A14; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { SD_MISO } { LOCATION = B14; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment { SD_MOSI } { LOCATION = A13; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { SD_nCS } { LOCATION = A12; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { clk } { LOCATION = R7; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment { key1 } { LOCATION = A2; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment { rst_n } { LOCATION = B2; IOSTANDARD = LVCMOS33; PULLTYPE = PULLUP; }
set_pin_assignment { seg_data[0] } { LOCATION = C15; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { seg_data[1] } { LOCATION = C16; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { seg_data[2] } { LOCATION = B6; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { seg_data[3] } { LOCATION = A5; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { seg_data[4] } { LOCATION = B5; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { seg_data[5] } { LOCATION = A8; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { seg_data[6] } { LOCATION = A7; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { seg_data[7] } { LOCATION = A6; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { seg_sel[0] } { LOCATION = D11; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { seg_sel[1] } { LOCATION = E11; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { seg_sel[2] } { LOCATION = F10; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { seg_sel[3] } { LOCATION = C13; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { seg_sel[4] } { LOCATION = E10; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }
set_pin_assignment { seg_sel[5] } { LOCATION = E12; IOSTANDARD = LVCMOS33; DRIVESTRENGTH = 8;
PULLTYPE = NONE; }

注意 SD_MISO（B14）配置了上拉（PULLUP），这是因为 SPI 主机在卡片未驱动 MISO 时需要一个确定的电平。

上板流程与现象

插好 TF 卡（卡槽在开发板背面），下载实验程序；
数码管显示一个数字——这是 SD 卡第一扇区的第一个数据，数据是随机的；
按下按键 2，数字加一，并写入 SD 卡；
再次下载程序（相当于重新上电读第一扇区），可以看到直接显示更新后的数据，证明写入确实保存到了卡里。

现象与总结

这个实验打通了 FPGA 访问大容量存储的「最后一公里」：从 SPI 字节收发，到 6 字节命令包组装（高 8 位或 0x40），到初始化状态机（CMD0 → CMD8 → CMD55+ACMD41），再到 512 字节扇区的读写与忙检测。掌握这套流程后，后续做音频播放、图片读取显示时，只需要在扇区数据之上按文件头搜索定位内容即可。

自测

自测

SD 卡 SPI 模式下一共需要几根信号线？各自的作用是什么？

SD 卡命令包共 6 字节，请写出每个字节的构成，并解释为什么例程中发送第一个字节时要与 0x40 做或运算。

SD 2.0 卡的初始化流程依次发送哪些命令？CMD8 返回错误时应该如何继续判断卡的类型？

读单块使用哪个命令？读到的数据格式是怎样的（令牌、数据、校验各多少字节）？

写块成功后如何判断？忙检测时读到什么值表示卡正在忙、什么值表示写操作完成？

description	用 SPI 模式读写 SD 卡扇区，从命令协议到初始化状态机的完整入门。
tags	移远fpga竞赛安路, 官方demo实验

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实验目标与背景

实验原理：SPI 模式与命令协议

为什么选 SPI 模式

命令格式：6 字节命令包

响应格式：R1 / R2 / R3

SD 卡 2.0 版初始化步骤

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命令号的「或 0x40」小机关

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