ＳＤカードコントローラをＦＰＧＡで試作。
ここでは、以下のＳＤＣＡＲＤなどを、４ビット高速データ転送（２４ＭＨｚ〜４８ＭＨｚ）で制御することを目指します。
ＳＨ７１４４（インターフェイス誌の付録基板、ＳＨ２）でＳＤカードを制御
左から、@１２８ＭＢ、A２５６ＭＢ、B５１２ＭＢ、C１ＧＢ、D２ＧＢ、E４ＧＢ、F８ＧＢ、G１６ＧＢ ＳＤカードアソシエーション のライセンス承認を必要とするからと思われます。無論これは、ＳＤカードを使った製品を、商品として「ＳＤカード」という名称を使って出荷すことには、ＳＤカードアソシエーションとのライセンス契約が必要ということです。ここのＵＲＬのＳＤカードの解析内容は、以上のことを知った上で、自己責任で参考にしてください。ＳＤカードアソシエーションのライセンスは、公開している Simplified Specification を参考に、ＳＤカードを４ビットの高速でアクセスする場合は承認が必要であると、ここに以下のように説明されています。以下はその冒頭の注意書きです。
インターフェイス ２００６年３月号 トランジスタ技術 ２００７年２月号 ＴＥＣＨＩ シリーズ Ｖｏｌ３５ ＰＩＣ２４Ｆの製作例 ＭＭＣカードの使い方 ＳＤカードのハードウエア仕様の入手先
ＳＤカードの仕様に関しては、以下のＵＲＬの、Members Site で、メンバーなら入手できますが、SD Card Association これはＳＤカードを使った商用製品を出している企業が対象で、
そうで無い場合は、ＳＤカードを４ビットインターフェイスで制御する資料として、その簡略版を
以下からダウンロードできます。Simplified Version of PHYSICAL LAYER SPEC 市販のカードリーダの信号を調査
信号調査に使ったカードリーダーは、５０ＭＨｚ対応、ＳＤＨＣ対応のＩ・Ｏデータの、USB2-W12RW。これを分解して基板を取り出し、ＳＤカードの必要な信号線を引き出します。さらにＦＰＧＡにはＳＤカードのソケットを取り付け、ここにカードを入れて制御回路のテストを行えるようにしています。
ＳＤカードの制御では、どのようなコマンドとレスポンスがやりとりされているのか、市販のカードリーダを分解して、ＣＭＤを解析してみることにします。デジタルオシロスコープでは、とても記録しきれないので、長い時間のシリアル波形を記録できる、ＳＤカード専用のロジック記録回路を作成します。ＳＤカードの転送クロックは、最高で５０ＭＨｚまで可能なので、５０ＭＨｚの転送レートでも記録できる回路とします。ＣＭＤラインを、クロックの立ち上がりに同期してサンプルし、メモリに記録します。効率よくサンプリングするため、すでに判っている仕様は記録回路に組み込み、随時機能を追加して、ＣＭＤラインの全容を明らかにしていきます。ＣＭＤラインは、クロックの立ち上がりでサンプルすると取り込めますが、ＳＤカードのクロック信号を、そのまま回路のクロックとして使うのはやめ、クロック信号も高速にサンプリングして、立ち上がりを検出して、そのときのＣＭＤラインをラッチしてシフトレジスタに入れて取り込みます。なぜＳＤカードのクロックを使わないかは、クロックは途中で変化しますし（４００ｋＨｚ〜５０ＭＨｚ）、止まってしまうこともあるからです。ＦＰＧＡ基板 XCM-001-400 、基板間の接続ユニバーサル基板、Ｈ８／３０６９Ｆネット対応マイコンＬＡＮボード
さらに、ＦＰＧＡ基板 XCM-001-400 には、ＳＤＲＡＭを追加して、信号を記録できるようにします。SSP-82 サンハヤトのＩＣ変換基板 を取り付けて、パソコン用の５１２ＭＢメモリから、MICRON の、48LC32M16A2P-75 という型名のＳＤＲＡＭを取り外して接続しています。記録したデータは容量が大きいので、パソコンへの転送は、Ｈ８／３０６９Ｆネット対応マイコンＬＡＮボードのイーサネットを使い、操作はＲＳ２３２Ｃで行います。転送ソフトは、Ｈ８／３０６９Ｆに tftp サーバーソフト（ＵＤＰ／ＩＰ）を載せ、パソコンからは、コマンドプロンプトで、tftp で操作します。tftp では、一回の転送で３２ＭＢまでしか行えませんが、ＳＤＲＡＭ制御回路も３２ＭＢまでなので、十分実用になります。１、高速でサンプルできるＦＰＧＡ回路を作る
使っているＦＰＧＡのクロックは、ＳＤＲＡＭ用の９６ＭＨｚが最高なので、５０ＭＨｚのクロック波形の、立ち上がりタイミングをもれなく検出することはできません。２倍の１９２ＭＨｚでサンプリングすると検出できますが、このためにＤＣＭを使って１９２ＭＨｚを生成して回路を動作させると、ＳＰＡＲＴＡＮ３ではスピード不足なので、９６ＭＨｚの、posedge と、 negedge でラッチしたものを、posedge でもう一度同期化して、立ち上がりを検出します。こうすると、９６ＭＨｚのクロックで全回路を制御できるので、ＳＰＡＲＴＡＮ３でも十分に動作してくれます。こちらが、９６ＭＨｚのクロックを使って、５０ＭＨｚまでのＳＤカードクロックの立ち上がりと、有効なそのときのＣＭＤをラッチする回路です。 ２、ＳＤカード専用のロジック記録回路
このクロック立ち上がり抽出回路で 得たＣＭＤラインの信号をシフトレジスタに送ってパラレルに変換します。カードの初期化のときは、ＡＣＭＤ４１が何回も出され、それに対してＳＤカードも返答しますから、１６ｋＢ〜６４ｋＢにもなり、ＦＰＧＡ内のブロックＲＡＭではとても記録しきれないので、ＳＤＲＡＭに記録します。ブロックＲＡＭへの記録が５１２バイトを超えると、記録は続行しますが、先に記録した５１２バイトをＳＤＲＡＭに吐き出します。このようにして、２ＫＢのブロックＲＡＭをリングバッファーとして動作させます。５１２バイトという長さにしたのは、カメラからの撮り込みデータを書く回路をそのまま使えるのと、ＳＤカードの１セクタの長さに相当するので、ちょうどよいからです。
７ビットのＣＲＣ計算回路です。 １ビット入力と出力、そして７ビットの結果もパラレルで読み出せます。制御機能は、結果クリア、クロック有効、ＣＲＣ演算有効の三つです。使いたいときまで結果クリアを１としておき、最初の有効ビットが入力されるときにクリアを０にします。結果の７ビットは、タイミングを見計らって読み出します。また、結果をシリアルで出す場合は、ＣＲＣ演算有効をＯＦＦ（ロジック０）にして、クロックを有効にしたまま７回のクロックで全部出てきます。このとき、入力の値は無視します。これらの機能を入れた回路がこちらのＳＤロガー付Ｈ８全システム回路です。
３、専用のロジック記録回路で得たＣＭＤの解析
解析に使ったＳＤカードは、Panasonic の２５６ＭのＳＤカードです。ＷｉｎｄｏｗｓＸＰでＦＡＴ３２でフォーマットしてあり、いくつかのファイルが書いてあります。このＳＤカードを、カードリーダに入れて、その初期化手順を記録したＣＭＤログが、こちらのバイナリーデータです。 このままでは判りにくいので、このバイナリーデータを解析するソフトで処理したものが、こちらです。 解析するソフトはこちらの logckcrc.c です。記録したバイナリーデータを、cmdlog.bin とすると、コマンドプロンプトで、ligckcrc cmdlog.bin などと使います。
この記録から、ＳＤカードは、以下の手順で操作されていることが判明しました。４、１２８ＭＢから１６ＧＢまでのＳＤカードを、専用のロジック記録回路で調査
専用のロジック記録回路で、カード挿入時のＣＭＤとレスポンスの内容、１ＭＢのファイルのリード、ライトなどをパソコンで操作した時のＣＭＤとデータの内容をまとめたものが、以下の表１です。Simplified Version of PHYSICAL LAYER SPEC 調査したＳＤカード
左から、@１２８ＭＢ、A２５６ＭＢ、B５１２ＭＢ、C１ＧＢ、D２ＧＢ、E４ＧＢ、F８ＧＢ、G１６ＧＢ
表１ 各ＳＤカードの記録値
ＳＤ番号 容量(CSD) CCC(CSD) CMD8 応答 CMD6 発行 ＨＣ read write ManufcturerID メーカー(略号) ＰＳＮ 製造年月
@ 125,440 kB 0x1B5 なし なし - 20 MHz 20 MHz 0x01 ＰＡ 616BB8CD 2008.4
A 244,224 kB 0x1B5 なし なし - 20 MHz 20 MHz 0x01 ＰＡ 68577F49 2008.4
B 489,960 kB 0x5F5 なし あり - 50 MHz 20 MHz 0x1D ＡＤ 27104B10 2008.4
C 995,328 kB 0x5F5 あり あり - 50 MHz 20 MHz 0x27 ＰＨ 7C02EBB1 2007.10 D 1,993,728 kB 0x5F5 あり あり - 50 MHz 20 MHz 0x1B ＳＭ B193568A 2007.11 E 4,014,080 kB 0x5B5 あり あり ＨＣ 50 MHz 20 MHz 0x1B ＳＭ B122F6CF 2008.2 F 8,007,680 kB 0x5B5 あり あり ＨＣ 50 MHz 50 MHz 0x27 ＰＨ B00006C8 2007.12
G 15,694,336 kB 0x5F5 あり あり ＨＣ 50 MHz 20 MHz 0x1D ＡＤ A0501340 2008.4
以下は、解析結果をもとに試作した、ＳＤカードコントローラの作成例です。マニュアルはまだありません。
ＳＤカード制御回路一式。４ビットでリード、ライトします。転送は、ＳＤＲＡＭへＤＭＡとなっています。ＩＳＥ９．２回路プロジェクトソース
Cygwin ソース一式。 このプログラムには、下記のFatFs を使っていますが、テスト的に実装しているので、機能はあまりありません。実装しているのは、ロングネーム未対応のものです。イーサネットを使って、tftp でパソコンとのデータ転送ができます。
ＩＴＵ６５６規格の小型カラーカメラの画像を撮りこむ
秘蔵のテクニカルノート、ＦＡＴファイルシステム ＦＡＴファイルシステムを公開しているサイトです（ロングネームに対応）ChaN のＵＲＬ ＭＢＭ（パソコンのマルチブートマネージャーの作者）
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右は、ＦＰＧＡ基板の裏で、SSP-82 サンハヤトのＩＣ変換基板を取り付けて、パソコン用の５１２ＭＢメモリから、MICRON の、48LC32M16A2P-75 という型名のＳＤＲＡＭを取り外して接続しています。記録したデータは容量が大きいので、パソコンへの転送は、Ｈ８／３０６９Ｆネット対応マイコンＬＡＮボードのイーサネットを使い、操作はＲＳ２３２Ｃで行います。転送ソフトは、Ｈ８／３０６９Ｆに tftp サーバーソフト（ＵＤＰ／ＩＰ）を載せ、パソコンからは、コマンドプロンプトで、tftp で操作します。tftp では、一回の転送で３２ＭＢまでしか行えませんが、ＳＤＲＡＭ制御回路も３２ＭＢまでなので、十分実用になります。