基于Zynq FPGA对雷龙SD NAND的测试

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芯片芯语|  楼主 | 2023-12-22 17:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
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;
  • #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
  • {
  • test_buffer = '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
————————————————
【本文转载自CSDN,作者:PPRAM】


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