【基于Zynq FPGA对雷龙SD NAND的测试】

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-AMW 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:

image-20241106234505040

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:

image-20241106234515418

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。

image-20241106234559529

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；

image-20241106234609128

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；

image-20241106234649694

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；

image-20241106234708383

点击 Create Block Design 创建 BD 工程

image-20241106234719321

在创建的过程中添加 Zynq 内核；

image-20241106234728015

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

image-20241106234745270

添加 TimerA IP；

image-20241106235212326

依次点击上方的自动设计，完成 SOC 搭建；

image-20241106235221986

点击 BD 设计，并创建顶层文件

image-20241106235231159

生成比特流文件；

image-20241106235241703

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；

image-20241106235309720

image-20241106235320866

四、软件搭建

在 SDK 中新建一个空白工程；

点击 file -> new -> Application project;

image-20241106235332805

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；

#include "xparameters.h" /_ SDK generated parameters _/
#include "xsdps.h" /_ SD device driver _/
#include "xil_printf.h"
#include "ff.h"
#include "xil_cache.h"
#include "xplatform_info.h"
#include "time.h"
#include "../user/headfile.h"
#define PACK_LEN 32764
static FIL fil; /_ File object _/
static FATFS fatfs;
static char FileName[32] = "Test.txt";
static char \*SD_File;
char DestinationAddress[PACK_LEN] ;
char txt[1024];
char test_buffer[PACK_LEN];
void TimerA0_init()
{TimerA_reset(TimerA0);//reset timerA deviceTimerA_Set_Clock_Division(TimerA0,100);//divide clock as 100000000/100 = 1MhzTimerA_Stop_Counter(TimerA0);//stop timerA
}
void TimerA0_start()
{TimerA_SetAs_CONTINUS_Mode(TimerA0);
}
void TimerA0_stop()
{TimerA_Stop_Counter(TimerA0);
}
uint32 SDCard_test()
{uint8 Res;uint32 NumBytesRead;uint32 NumBytesWritten;uint32 BuffCnt;uint8 work[FF_MAX_SS];uint32 take_time=0;uint32 speed = 0;uint32 test_time = 0;uint32 w_t=0;uint32 r_t=0;float wsum = 0;float rsum = 0;TCHAR *Path = "0:/";for(int i=0;i<PACK_LEN;i++){test_buffer[i] = 'a';}Res = f_mount(&fatfs, Path, 0);if (Res != FR_OK) {return XST_FAILURE;}Res = f_mkfs(Path, FM_FAT32, 0, work, sizeof work);if (Res != FR_OK) {return XST_FAILURE;}SD_File = (char *)FileName;Res = f_open(&fil, SD_File, FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE | FA_READ);if (Res) {return XST_FAILURE;}Res = f_lseek(&fil, 0);if (Res) {return XST_FAILURE;}while(1){TimerA_reset(TimerA0);TimerA0_start();Res = f_write(&fil, (const void*)test_buffer, PACK_LEN,&NumBytesWritten);TimerA0_stop();take_time = TimerA_Read_Counter_Register(TimerA0);w_t+=take_time;xil_printf("--------------------------------\n");xil_printf("take time:%d us\n",take_time);speed = PACK_LEN*(1000000/((float)(take_time)));sprintf(txt,"write speed:%.2f MB/s\n",(float)(speed)/1024/1024);wsum = wsum+speed;xil_printf(txt);xil_printf("--------------------------------\n");if (Res) {return XST_FAILURE;}Res = f_lseek(&fil, 0);if (Res) {return XST_FAILURE;}TimerA_reset(TimerA0);TimerA0_start();Res = f_read(&fil, (void*)DestinationAddress, PACK_LEN,&NumBytesRead);TimerA0_stop();take_time = TimerA_Read_Counter_Register(TimerA0);r_t+=take_time;xil_printf("--------------------------------\n");xil_printf("take time:%d us\n",take_time);speed = PACK_LEN*(1000000/((float)(take_time)));sprintf(txt,"read speed:%.2f MB/s\n",(float)(speed)/1024/1024);rsum = rsum+speed;xil_printf(txt);xil_printf("--------------------------------\n");if (Res) {return XST_FAILURE;}for(BuffCnt = 0; BuffCnt < PACK_LEN; BuffCnt++){if(test_buffer[BuffCnt] != DestinationAddress[BuffCnt]){xil_printf("%dno",BuffCnt);return XST_FAILURE;}}xil_printf("test num:%d data check right!\n",test_time+1);test_time++;if(test_time==100){sprintf(txt,"Total write: %.2f KB,Take time:%.2f ms, Write speed:%.2f MB/s\n",PACK_LEN*100/1024.0,w_t/100.0/1000.0,wsum/100/1024/1024);xil_printf(txt);sprintf(txt,"Total read: %.2f KB,Take time:%.2f ms, Read speed:%.2f MB/s\n",PACK_LEN*100/1024.0,r_t/100.0/1000.0,rsum/100/1024/1024);xil_printf(txt);Res = f_close(&fil);if (Res) {return XST_FAILURE;}return 0;}}
}
int main(void)
{TimerA0_init();SDCard_test();xil_printf("finish");return 0;
}

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。

官网体验

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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