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：
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接口支持 SD2.0 2 线或 4 线；
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电压支持：2.7V-3.6V；
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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)
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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)
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工作温度：-40°C ~ +85°C
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存储温度：-55°C ~ +125°C
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待机电流小于 250uA
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修正内存字段错误；
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内容保护机制——符合 SDMI 最高安全标准
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SDNAND 密码保护 (CMD42 - LOCK_UNLOCK)
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采用机械开关的写保护功能
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内置写保护功能 (永久和临时)
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应用程序特定命令
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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
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测试平台为 Xilinx 的 Zynq 7020 FPGA 芯片；
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板卡：Digilent Zybo Z7
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Vivado 版本：2018.3
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文件系统：FATFS
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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；
#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 device
TimerA_Set_Clock_Division(TimerA0,100);//divide clock as 100000000/100 = 1Mhz
TimerA_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。
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
原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_44976692/article/details/143589240
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