基于Zynq FPGA对雷龙SD NAND的测试

文章目录

一、SD NAND特征

1.1 SD卡简介

1.2 SD卡Block图

二、SD卡样片

三、Zynq测试平台搭建

3.1 测试流程

3.2 SOC搭建

四、软件搭建

五、测试结果

六、总结

一、SD NAND特征

1.1 SD卡简介

  雷龙的SD NAND有很多型号，在测试中使用的是CSNP4GCR01-AWM与CSNP32GCR01-AOW。芯片是基于NAND FLASH和 SD控制器实现的SD卡。具有强大的坏块管理和纠错功能，并且在意外掉电的情况下同样能保证数据的安全。

  其特点如下：

接口支持SD2.0 2线或4线；

电压支持：2.7V-3.6V；

默认模式:可变时钟速率0 - 25MHz，高达12.5 MB/s的接口速度(使用4条并行数据线)

高速模式:可变时钟速率0 - 50MHz，高达25 MB/s的接口速度(使用4条并行数据线)

工作温度：-40°C ~ +85°C

存储温度：-55°C ~ +125°C

待机电流小于250uA

修正内存字段错误；

内容保护机制——符合SDMI最高安全标准

SDNAND密码保护(CMD42 - LOCK_UNLOCK)

采用机械开关的写保护功能

内置写保护功能(永久和临时)

应用程序特定命令

舒适擦除机制

  该SD卡支持SDIO读写和SPI读写，最高读写速度可达25MB/s，实际读写速度要结合MCU和接口情况实测获得。通常在简单嵌入式系统并对读写速度要求不高的情况下，会使用SPI协议进行读写。但不管使用SDIO还是SPI都需要符合相关的协议规范，才能建立相应的文件系统；

1.2 SD卡Block图

 该SD卡封装为LGA-8；引脚分配与定义如下；在这里插入图片描述:

二、SD卡样片

  与样片同时寄来的还有转接板，转接板将LGA-8封装的芯片转接至SD卡封装，这样只需将转接板插入SD卡卡槽即可使用。

在这里插入图片描述:

三、Zynq测试平台搭建

•   测试平台为 Xilinx 的Zynq 7020 FPGA芯片；

•   板卡：Digilent Zybo Z7

•   Vivado版本：2018.3

•   文件系统：FATFS

•   SD卡接口：SD2.0

3.1 测试流程

  本次测试主要针对4G和32G两个不同容量的SD卡，在Zynq FPGA上搭建SD卡读写回路，从而对SD卡读写速度进行测试，并检验读写一致性；

测试流程：

  进入测试程序前，首先会对SD卡初始化并初始化建立FATFS文件系统，随后进入测试SD卡测试程序，在测试程序中，会写入一定大小的文件，然后对写入文件的时间进行测量，得到写入时间；然后再将写入的文件读出，测量获得读出时间，并将读出数据与写入数据相比较，检测是否读写出错。

  通过写入时间、读出时间可计算得到写入速度、读出速度；将以上过程重复100次并打印报告。

3.2 SOC搭建

  硬件搭建框图如下，我们在本次系统中使用PS端的SDIO接口来驱动SD NAND芯片，并通过UART向PC打印报告；

  PL端的硬件搭建也很简单，只需一个Timer定时器来做时间测量；

我们直接使用Zybo板卡文件创建一个工程，工程会将Zybo具有的硬件资源配置好；

首先点击setting->IP->Repository->+；添加Timer IP核的路径，Timer IP核会在工程中给出；

 点击Create Block Design创建BD工程

 在创建的过程中添加Zynq 内核；

       由于我们使用了板卡文件，所以内核IP是配置好的，我们只需稍作修改即可，如果是其他板卡，则需要自行配置DDR等配置；

  双击内核IP，点击Clock Configuration->PL Fabric Clocks，将FCLK_CLK0的时钟频率修改为100Mhz

 添加TimerA IP；

依次点击上方的自动设计，完成SOC搭建；

 点击BD设计，并创建顶层文件

生成比特流文件；

       在生成比特流文件后，将其导入SDK；

  点击Export->Export Hardware，导出硬件；然后点击Launch SDK打开SDK进行软件设计；

四、软件搭建

  在SDK中新建一个空白工程；

  点击file -> new -> Application project;

在新建的过程中创建一个main.c文件，并在里面编写测试程序如下：

  在每次读写开始前，通过TimerA0_start()函数开始计时，在读写结束后可以通过TimerA0_stop()结束计时，从而测得消耗时间。

  相应的Timer驱动函数在user/TimerA_user.c中定义；

1. #include "xparameters.h"    /* SDK generated parameters */

2. #include "xsdps.h"        /* SD device driver */

3. #include "xil_printf.h"

4. #include "ff.h"

5. #include "xil_cache.h"

6. #include "xplatform_info.h"

7. #include "time.h"

8. #include "../user/headfile.h"

9. 
   

10. #define    PACK_LEN       32764

11. 
    

12. static FIL fil;        /* File object */

13. static FATFS fatfs;

14. 
    

15. static char FileName[32] = "Test.txt";

16. static char *SD_File;

17. 
    

18. char DestinationAddress[PACK_LEN] ;

19. 
    

20. char txt[1024];

21. char test_buffer[PACK_LEN];

22. 
    

23. void TimerA0_init()

24. {

25.     TimerA_reset(TimerA0);//reset timerA device

26.     TimerA_Set_Clock_Division(TimerA0,100);//divide clock as 100000000/100 = 1Mhz

27.     TimerA_Stop_Counter(TimerA0);//stop timerA

28. }

29. 
    

30. void TimerA0_start()

31. {

32.     TimerA_SetAs_CONTINUS_Mode(TimerA0);

33. }

34. 
    

35. void TimerA0_stop()

36. {

37.     TimerA_Stop_Counter(TimerA0);

38. }

39. 
    

40. 
    

41. 
    

42. 
    

43. uint32 SDCard_test()

44. {

45.     uint8 Res;

46.     uint32 NumBytesRead;

47.     uint32 NumBytesWritten;

48.     uint32 BuffCnt;

49.     uint8 work[FF_MAX_SS];

50.     uint32 take_time=0;

51.     uint32 speed = 0;

52.     uint32 test_time = 0;

53.     uint32 w_t=0;

54.     uint32 r_t=0;

55.     float wsum = 0;

56.     float rsum = 0;

57. 
    

58. 
    

59.     TCHAR *Path = "0:/";

60. 
    

61.     for(int i=0;i<PACK_LEN;i++)

62.     {

63.         test_buffer[i] = 'a';

64.     }

65. 
    

66.     Res = f_mount(&fatfs, Path, 0);

67. 
    

68.     if (Res != FR_OK) {

69.         return XST_FAILURE;

70.     }

71. 
    

72.     Res = f_mkfs(Path, FM_FAT32, 0, work, sizeof work);

73.     if (Res != FR_OK) {

74.         return XST_FAILURE;

75.     }

76. 
    

77.     SD_File = (char *)FileName;

78. 
    

79.     Res = f_open(&fil, SD_File, FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE | FA_READ);

80.     if (Res) {

81.         return XST_FAILURE;

82.     }

83. 
    

84.     Res = f_lseek(&fil, 0);

85.     if (Res) {

86.         return XST_FAILURE;

87.     }

88. 
    

89.     while(1)

90.     {

91.         TimerA_reset(TimerA0);

92.         TimerA0_start();

93.         Res = f_write(&fil, (const void*)test_buffer, PACK_LEN,

94.                 &NumBytesWritten);

95.         TimerA0_stop();

96.         take_time = TimerA_Read_Counter_Register(TimerA0);

97.         w_t+=take_time;

98.         xil_printf("-------------------------------- ");

99.         xil_printf("take time:%d us ",take_time);

100.         speed = PACK_LEN*(1000000/((float)(take_time)));

101.         sprintf(txt,"write speed:%.2f MB/s ",(float)(speed)/1024/1024);

102.         wsum = wsum+speed;

103.         xil_printf(txt);

104.         xil_printf("-------------------------------- ");

105.         if (Res) {

106.             return XST_FAILURE;

107.         }

108. 
     

109.         Res = f_lseek(&fil, 0);

110.         if (Res) {

111.             return XST_FAILURE;

112.         }

113. 
     

114.         TimerA_reset(TimerA0);

115.         TimerA0_start();

116.         Res = f_read(&fil, (void*)DestinationAddress, PACK_LEN,

117.                 &NumBytesRead);

118.         TimerA0_stop();

119.         take_time = TimerA_Read_Counter_Register(TimerA0);

120.         r_t+=take_time;

121.         xil_printf("-------------------------------- ");

122.         xil_printf("take time:%d us ",take_time);

123.         speed = PACK_LEN*(1000000/((float)(take_time)));

124.         sprintf(txt,"read speed:%.2f MB/s ",(float)(speed)/1024/1024);

125.         rsum = rsum+speed;

126.         xil_printf(txt);

127.         xil_printf("-------------------------------- ");

128.         if (Res) {

129.             return XST_FAILURE;

130.         }

131. 
     

132. 
     

133.         for(BuffCnt = 0; BuffCnt < PACK_LEN; BuffCnt++){

134.             if(test_buffer[BuffCnt] != DestinationAddress[BuffCnt]){

135.                 xil_printf("%dno",BuffCnt);

136.                 return XST_FAILURE;

137.             }

138.         }

139.         xil_printf("test num:%d data check right! ",test_time+1);

140.         test_time++;

141.         if(test_time==100)

142.         {

143.             sprintf(txt,"Total write: %.2f KB,Take time:%.2f ms, Write speed:%.2f MB/s ",PACK_LEN*100/1024.0,w_t/100.0/1000.0,wsum/100/1024/1024);

144.             xil_printf(txt);

145.             sprintf(txt,"Total read: %.2f KB,Take time:%.2f ms, Read speed:%.2f MB/s ",PACK_LEN*100/1024.0,r_t/100.0/1000.0,rsum/100/1024/1024);

146.             xil_printf(txt);

147.             Res = f_close(&fil);

148.             if (Res) {

149.                 return XST_FAILURE;

150.             }

151.             return 0;

152.         }

153.     }

154. 
     

155. }

156. 
     

157. int main(void)

158. {

159.     TimerA0_init();

160. 
     

161.     SDCard_test();

162.     xil_printf("finish");

163.     return 0;

164. }

五、测试结果

  经测试，两种型号的芯片读写速度如下图表所示。

  其SD NAND的读写速度随着读写数据量的增加而增加，并且读速率大于写速率，这符合SD卡的特性；

  对比两种型号SD NAND芯片，发现CSNP32GCR01-AOW型号具有更高的读写速度；

六、总结

  本来打算拿这些样片去试试信息安全领域是否有所应用，但发现其似乎内置了复位或初始化，导致无法提取上电时的不确定值，故无法提取该SD NAND的物理不可克隆特性，所以这方面的测试无法进行；

  对于芯片正常读写的测试结果，还是很让人满意的，芯片的价格也很合理。并且LGA-8封装更适合无卡槽的嵌入式开发板设计，在一定的应用领域有着简化硬件设计、减小硬件面积的功能。

  最后贴上测试工程的链接，还迎复现实验: https://gitee.com/gewenjie_host/sd_-nand_-zynq700_test

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1. 【本文转载自CSDN，作者：PPRAM】

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