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如何确定主控的SPI接口与SD NAND的SPI模式是否兼容?

SD NAND-贴片式TF卡-贴片式SD卡-免费测试2025-06-2110

要确定国微主控的 SPI 接口与 SD NAND 的 SPI 模式是否兼容,需从硬件接口参数、协议实现、时序匹配等多维度进行系统性验证,具体可按以下步骤执行:

一、硬件接口参数验证

  1. SPI 模式支持性确认

协议版本匹配:SD NAND 的 SPI 模式遵循 SD 2.0 协议,需确认主控 SPI 接口是否支持该协议的命令集(如 CMD0/CMD8/ACMD41 等)。部分主控可能仅支持基础 SPI 协议,需通过软件模拟 SD 协议栈。

模式参数匹配:SD NAND 通常工作在 SPI 模式 0(CPOL=0, CPHA=0)或模式 3(CPOL=1, CPHA=1)。需查阅主控数据手册,确认其 SPI 控制器是否支持这两种模式。例如,国微 SM25QH128 支持模式 0/3,与 SD NAND 兼容性较好。

信号电平兼容性测试

  • 电压匹配:SD NAND 的 IO 电压分为 3.3V 和 1.8V 两种规格

主控 SPI 接口的 VCCIO 必须与 SD NAND 一致。若存在差异,需添加电平转换电路(如 TXB0104),但会增加 PCB 复杂度。

引脚定义映射:SD NAND 的 SPI 模式需连接 CS、CLK、DI、DO 四根线,主控需有对应的 SPI_CS、SPI_SCK、SPI_MOSI、SPI_MISO 引脚。例如,国微主控的 SPI 接口通常包含这些标准引脚。

主控需支持低速模式。

  • 时钟频率范围验证

    • 初始化阶段:SD NAND 要求 SPI 时钟≤400kHz

正常通信阶段:建议将 SPI 时钟设置为主控最高频率的 50%(如主控支持 50MHz 则设为 25MHz),以确保稳定性。需确认主控 SPI 控制器的频率调节范围。

二、协议栈实现验证

  1. 初始化命令序列测试

    关键命令执行

    CMD0(复位):发送后需检测 SD NAND 是否进入 IDLE 状态(响应 0x01)

  • CMD8(电压验证):若返回值包含 0x01AA,则说明支持目标电压(如 3.3V)

  • ACMD41(初始化完成):循环发送直至响应为 0x00,表示 SD NAND 就绪

代码实现参考

/ 初始化流程伪代码void SD_SPI_Init() {
    SPI_SetClock(400kHz); // 初始化阶段低速时钟
    SPI_Write(CMD0);       // 发送复位命令
    if (SPI_Read() != 0x01) {
        // 初始化失败处理
    }
    SPI_Write(CMD8 | 0x01AA); // 发送电压验证命令
    if (SPI_ReadBytes(4) != 0x01AA) {
        // 电压不匹配处理
    }
    do {
        SPI_Write(CMD55 | ACMD41); // 发送ACMD41
    } while (SPI_Read() != 0x00); // 等待初始化完成
    SPI_SetClock(25MHz); // 切换到高速时钟}

数据读写功能验证

  • 读操作测试

    • 发送 CMD17(读单块命令)并指定地址

  • 接收数据令牌 0xFE 后读取 512 字节数据,忽略 CRC 校验字节

写操作测试

  • 发送 CMD24(写单块命令)并等待响应 0x00

  • 发送 512 字节数据及 CRC,检测写保护状态

代码实现示例

void SD_SPI_ReadBlock(uint32_t addr, uint8_t *buf) {
    SPI_Write(CMD17 | addr);
    while (SPI_Read() != 0xFE); // 等待数据令牌
    SPI_ReadBytes(buf, 512);   // 读取数据
    SPI_ReadBytes(NULL, 2);    // 跳过CRC}

三、时序与信号完整性验证

  1. 逻辑分析仪抓包分析

    • 检查 CMD0/CMD8/ACMD41 的命令格式是否正确(48 位命令字 + CRC7)

    • 初始化阶段

  • 确认响应长度(短响应 1 字节,长响应 136 字节)是否符合协议

数据传输阶段

  • 验证数据令牌(0xFE)和 CRC 校验字节的时序关系

  • 测量 SPI 时钟边沿与数据采样点的对齐情况,确保符合所选 SPI 模式(如模式 0 的上升沿采样)

信号完整性测试

  • 波形质量检查

    • 时钟线(CLK)应无明显振铃或过冲,建议串联 22Ω 电阻抑制反射

  • 数据线(DI/DO)的上升 / 下降时间应≤主控 SPI 控制器的要求(通常≤5ns)。

电源纹波测量

  • 使用示波器测量 SD NAND 的 VDD 电压波动,需≤50mV(纹波)

  • 建议采用 100μF 电解电容 + 10μF 陶瓷电容的滤波方案

主控功能限制规避

  • 片选控制:若主控 SPI 接口不支持硬件 CS 切换,需通过 GPIO 手动控制片选信号,并在命令间隔插入至少 8 个时钟周期的延迟

DMA 支持:若主控支持 SPI DMA 模式,可显著提升数据传输效率(如批量读写 512 字节块时)。需确认主控的 DMA 通道是否可与 SPI 控制器联动。

特殊场景验证

  • 掉电恢复测试:模拟异常断电后重新上电,检查 SD NAND 是否能正确初始化并识别坏块

  • 高负载压力测试:连续读写 1000 个块,监测数据完整性和写入速度变化,确保无丢包或速率骤降

五、工具与资源推荐

  1. 开发工具

    • 逻辑分析仪:推荐 Saleae Logic 8 或更高型号,用于抓取 SPI 时序并与协议规范对比

    • 示波器:建议使用带宽≥100MHz 的示波器(如 Rigol DS1054Z),测量信号完整性和电源纹波。

  • 参考文档

    • SD 协会官方文档:《SD Memory Card Specification Version 2.00》(需注册下载),详细定义了 SPI 模式的命令集和时序要求。

开源代码参考

  • FatFS 文件系统:已实现 SPI 模式下的 SD 卡驱动,可作为移植基础

  • STM32Cube 库:包含 SPI 模式操作 SD 卡的示例代码,可参考其命令序列实现

六、总结验证流程

  1. 硬件验证:确认引脚映射、电平匹配、时钟范围。

  2. 协议验证:测试初始化命令序列和数据读写功能。

  3. 时序验证:使用逻辑分析仪检查命令响应和数据传输波形。

  4. 兼容性测试:模拟极端场景并验证厂商特定实现。

  5. 性能测试:评估读写速度、稳定性及抗干扰能力。

通过以上步骤,可系统性地验证国微主控 SPI 接口与 SD NAND 的兼容性。建议优先进行原型验证(如使用评估板),再进行正式产品设计,以降低开发风险。

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