SD卡音乐播放器.docx

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SD卡音乐播放器

基于FPGA的SD卡音乐

播放器设计

实习项目:

基于FPGA的SD卡音乐播放器设计

课程名称:

电子系统设计

实习日期:

班级:

学号:

姓名:

目录

一、实习系统简介-1-

SD卡操作简介-3-

1.1简介-3-

1.2功能介绍-4-

1.3SD总线模式-4-

二、SD卡接口描述-7-

2.1SD模式引脚-7-

2.2SPI模式引脚-7-

2.3寄存器-8-

2.4SD卡总线拓扑-8-

2.5电气接口上电-9-

2.6寄存器-9-

三、SD卡协议-11-

3.1SD总线协议-11-

3.2协议功能描述-14-

3.3卡识别模式-14-

3.4数据传输模式-15-

四、音频模块-16-

1.内部结构-17-

2.引脚定义-17-

3.典型操作时序-18-

4.音频输入原理图-18-

5.MIC输出原理图-19-

五、实习用到主要程序-20-

1.音频驱动程序-20-

2.SD卡驱动程序-28-

3.主程序-36-

六、实习心得-49-

一、实习系统简介

许多商业媒体/音频播放器使用一个大的外部存储设备,比如一个SD卡或CF卡,来存储音乐或视频文件。

这样的设备还包括高质量的DAC设备可以产生良好的音频质量。

DE-2-70板提供的硬件和软件需要SD卡访问和专业的音频性能,这样它可以使用DE-2-70板设计先进的多媒体产品。

在此演示中,我们展示了如何实现一个SD卡音乐播放器在DE-2-70板运行,音乐文件存储在SD卡和DE-2-70板可以通过它播放音乐文件通过cd品质的音频DAC电路。

我们使用NiosII处理器读音乐中存储的数据SD卡和使用沃尔夫森WM8731音频编解码器播放音乐。

图1.1显示了硬件框图。

这个系统需要一个50MHZ时钟提供DE-2-70板。

锁相环生成一个100-mhz时钟为NIOSII处理器

和其他控制器提供时钟。

音频芯片是由音频控制器一个用户定义的SOPC组件。

这个音频控制器需要一个输入时钟运行在18.432MHZ。

在这个设计中,时钟是由锁相环块组成。

音频控制器需要音频芯片工作在主模式,所以串行位（井底油嘴）和左/右通道钟（LRCK）提供音频芯片。

这个7段显示控制的SEG7控制器也是一个用户定义的SOPC组件。

两个PIO针连接到I2C总线。

I2C协议是由软件实现。

四个PIO针连接到SD卡套接字。

SD比特模式是用于访问SD卡,由软件实现。

所有的其他组件在SOPC框图是内置组件SOPC的组成成分。

图1.1方框图的SD音乐播放器

图2显示了这个演示的软件堆栈。

SD比特模块实现了比特模式协议对阅读记忆原始数据的SD卡。

FAT16的块实现FAT16文件系统读波文件存储在SD卡。

在这个块,只有实现阅读功能。

波自由块实现波文件解码函数接从波文件收音频信号。

I2C块实现了I2C协议配置音频芯片。

实现显示功能的SEG7块显示运行时间。

音频块实现了音频FIFO检查功能和音频信号发送/接收功能。

图2。

软件堆栈的SD音乐播放器

音频芯片应该配置在发送之前音频信号的音频芯片。

主要程序使用I2C协议配置音频芯片工作在主模式中,音频接口作为与16位每通道I2S采样率根据波文件内容。

在音频循环,主程序读取512字节的音频数据从SD卡,然后写数据DACFIFO的音频控制器。

在写数据到FIFO,程序确保先进先出不完整。

该设计还混合了音频信号从麦克风在和输出的卡拉ok风格效果,使用到旁路和SITETONE功能音频芯片。

最后,用户可以获得SD音乐播放器的状态从2x16液晶模块、7段显示器和发光二极管。

顶部和底部排液晶模块将显示文件音乐的名字和音乐音量波,7段显示器将显示音乐文件已打开多久了。

LED将指示音频信号的强度。

SD卡操作简介

1.1简介

SD卡是基于flash的存储卡。

SD卡和MMC卡的区别在于初始化过程不同

SD卡的通信协议包括SD和SPI两类。

SD卡使用卡内智能控制模块进行FLASH操作控制，包括协议、安全算法、数据存取、

ECC算法、缺陷处理和分析、电源管理、时钟管理

1.2功能介绍

1）主机无关的FLASH内存擦除和编程

读或写数据，主机只要发送一个带地址的命令，然后等待命令完成，主机无需关心具

体操作的完成。

当采用新型的FLASH时，主机代码无需更新。

2）缺陷管理

3）错误恢复

4）电源管理

Flash每个扇区有大约10万次的写寿命，读没有限制。

擦除操作可以加速写操作，因为在写之前会进行擦除。

1.3SD总线模式

当主机定义了SD卡不支持的电压范围时，SD卡将处于非活动状态，将忽略所有的总

线传输。

要退出非活动状态唯一的方法就是重新上电。

（1）SD卡获取和识别

SD卡总线采用的是单主多从结构，总线上所有卡共用时钟和电源线。

主机依次分别访

问每个卡，每个卡的CID寄存器中已预编程了一个唯一的卡标识号，用来区分不同的卡。

主机通过READ_CID命令读取CID寄存器。

CID寄存器在SD卡生产过程中的测试和

格式化时被编程，主机只能读取该号。

DAT3线上内置的上拉电阻用来侦测卡。

在数据传输时电阻断开（使用ACMD42）。

（2）卡状态

卡状态分别存放在下面两个区域：

卡状态（CardStatus），存放在一个32位状态寄存器，在卡响应主机命令时作为数据传

送给主机。

SD状态（SD_Status），当主机使用SD_STATUS（ACMD13）命令时，512位以一个数

据块的方式发送给主机。

SD_STATUS还包括了和BUS_WIDTH、安全相关位和扩展位等

扩展状态位。

（3）内存组织

数据读写的基本单元是一个字节，可以按要求组织成不同的块。

Block:

块大小可以固定，也可以改变，允许的块大小是实际大小等信息存储在CSD寄

存器。

Sector:

和擦除命令相关，由几个块组成。

Sector的大小对每个设备是固定的，大小信息

存储在CSD寄存器。

WPGroup:

写保护单位。

大小包括几个group，写保护由一位决定，对每个设备大小是

固定的，存储在CSD寄存器。

（4）读写操作

SingleBlockMode:

主机根据事先定义的长度读写一个数据块。

由发送模块产生一个16

位的CRC校验码，接受端根据校验码进行检验。

读操作的块长度受设备sector大小（512

bytes）的限制，但是可以最小为一个字节。

不对齐的访问是不允许的，每个数据块必须位于

单个物理sector内。

写操作的大小必须为sector大小，起始地址必须与sector边界对齐。

MultipleBlockMode:

主机可以读写多个数据块（相同长度），根据命令中的地址读取或

写入连续的内存地址。

操作通过一个停止传输命令结束。

写操作必须地址对齐。

（5）数据擦除

SD卡数据擦除的最小单位是sector。

为了加速擦除操作，多个sector可以同时擦除。

为了方便选择，第一个指令包含起始地址，第二个指令包含结束地址，在地址范围内的所

有sector将被擦除。

（6）写保护

两种写保护方式可供选择，永久保护和临时保护，两种方式都可以通过PROGRAM_CSD指令进行设置。

永久保护位一旦设置将无法清除。

3.10拷贝位

通过CSD寄存器中的拷贝位（copybit）设置SD卡中的数据是原始数据还是拷贝数据。

拷贝位一旦设置

将无法清除，在测试和格式化时使用。

（7）CSD寄存器

所有SD卡的配置信息存储在CSD寄存器。

通过SEND_CSD读取，PROGRAM_CSD修改

二、SD卡接口描述

引脚和寄存器

连主机通过9个引脚和SD卡相

2.1SD模式引脚

有DAT0使用扩展数据线（DAT1-DAT3）上电后为输入，SET_BUS_WIDTH命令执行后作为数据线。

即使只

，所有数据线都和外部上拉电阻连接，否则DAT1&DAT2（如果未被使用）

的振荡输入将引起非期望的高电流损耗。

上电后，数据线输入50K（+/-20K）欧姆的上拉（用来进行卡侦测和SPI模式选择）。

用

户可以在常规数据传输时，通过SET_CLR_CARD_DETECT（ACMD42）命令分离上拉。

2.2SPI模式引脚

2.3寄存器

主机通过重新上电来重置（reset）卡。

卡有它自身检测上电的电路，当上电后卡状态切换到idle状态。

也可以通过GO_IDLE（CMD0）指令来重置。

2.4SD卡总线拓扑

SD总线有6根通信线和三根电源供应线：

CMD——命令线是双向信号线。

主机和卡通过pushpull模式工作。

DAT0-3——数据线是双向信号线。

主机和卡通过pushpull模式工作。

CLK——时钟是从主机到卡的信号。

CLK通过pushpull模式操作。

VDD—VDD是所有卡的电源供应线。

VSS[1:

2]—VSS是2根地线。

在初始化的时候，向每个卡分别发送命令，允许应用检测卡并给物理槽（physicalslot）

分配逻辑地址。

数据通常分别传输给每个卡。

然后，为了方便处理卡堆栈，初始化后所有

命令同时发送给所有卡，在命令数据包中包含了操作地址。

SD总线允许动态配置数据线数目。

上电后默认SD卡只用DAT0作为数据传输线。

初始

化后，主机可以改变总线宽度。

这个特性使得在硬件开销和系统性能间取得平衡。

2.5电气接口上电

上电后，包括热插入，卡进入idle状态。

在该状态SD卡忽略所有总线操作直到接收到

ACMD41命令。

ACMD41命令是一个特殊的同步命令，用来协商操作电压范围，并轮询所

有的卡。

除了操作电压信息，ACMD41的响应还包括一个忙标志，表明卡还在power-up过

程工作，还没有准备好识别操作，即告诉主机卡还没有就绪。

主机等待（继续轮询）直到忙标

志清除。

单个卡的最大上电时间不能操作1秒。

上电后，主机开始时钟并在CMD线上发送初始化序列，初始化序列由连续的逻辑“1

组成。

序列长度为最大1毫秒，74个时钟或supply-ramp-up时间。

额外的10个时钟（64个

时钟后卡已准备就绪）用来实现同步。

每个总线控制器必须能执行ACMD41和CMD1。

CMD1要求MMC卡发送操作条件。

在任何情况下，ACMD41或CMD1必须通过各自的CMD线分别发送给每个卡。

2.6寄存器

2.6.1OCR（OperatingConditionsRegister）

32位的操作条件寄存器存储了VDD电压范围。

SD卡操作电压范围为2~3.6V。

然而从内存中访问数据的电压是2.7~3.6V。

OCR显示了卡数据访问电压范围，结构如下表所示。

OCR结构如下图所示。

如果第32位（busybit）置位，表明卡上电过程已结束

2.6.2CID（Cardntification）

CID寄存器长度为16个字节的卡唯一标识号，该号在卡生产厂家编程后无法修改。

SD

和MMC卡的CID寄存器结构不一样。

三、SD卡协议

3.1SD总线协议

SD总线通信是基于命令和数据位流方式的，由一个起始位开始，以一个停止位结束：

命令——命令是开始开始操作的标记。

命令从主机发送一个卡（寻址命令）或所有连

接的卡（广播命令）。

命令在CMD线上串行传送。

响应——响应是从寻址卡或所有连接的卡（同步）发送给主机用来响应接受到的命令

的标记。

命令在CMD线上串行传送。

数据——数据可以通过数据线在卡和主机间双向传送。

卡寻址通过会话地址方式实现，地址在初始化的时候分配给卡。

SD总线上的基本操作

是command/response。

数据传送采用块方式，数据块后接CRC校验位，操作包括单数据块和多数据块。

多数据

块更适合快速写操作，多数据块传输当在CMD线出现停止命令时结束。

数据传输可以在主

机端设置采用单数据线或多数据线方式。

块写操作在DAT0数据线写操作期间使用忙信号，无论用来传输的信号线数目是多少。

命令格式如下所示：

响应标记（token）根据内容不同具有四种格式，标记长度。

长度为48位或136位。

数

据块的CRC算法采用16位的CCITT多项式。

在命令行中，MSB位首先传送，LSB位最后传送。

当使用宽总线模式时，数据同时在4根数据线上传输。

开始位、结束位和CRC在每根数

据线上传送。

CRC对每根数据线单独计算。

CRC状态响应和Busy信号只通过DAT0由卡发送给主机。

3.2协议功能描述

所有主机和SD卡间的通信由主机控制。

主机发送下述两类命令：

广播命令——广播命令发送给所有SD卡，有些命令需要响应。

寻址（点对点）命令——寻址命令只发送给具有相应地址的卡，并需要从卡返回一个响应。

对卡而言也有两类操作：

卡识别模式——在重置（reset）后当主机查找总线上的新卡时，处于卡识别模式。

重置后

SD卡将始终处于该模式，直到收到SEND_RCA命令（CMD3）。

数据传输模式——一旦卡的REC发布后，将进入数据传输模式。

主机一旦识别了所有总线

上的卡后，将进入数据传输模式。

操作模式与卡状态关系：

3.3卡识别模式

在卡识别模式，主机重置所有处于卡识别模式的SD卡，检验操作电压范围，识别卡并

请求卡发送相对卡地址RCA。

操作对每个卡在各自的CMD线上单独进行，所有的数据传送只使用CMD线。

3.4数据传输模式

直到主机知道所有CSD寄存器的内容，fpp时钟速率必须保持在fOD,因为一些卡有操作频率限制。

主机发送SEND_CSD（CMD9）获取卡定义数据（CardSpecificData，CSD寄

存器），如块大小、卡存储容量、最大时钟速率等。

CMD7用来选择一个卡并将它置于传输状态（Transferstate），在任何时间只能有一个卡处于传输状态。

如果已有一个卡处于传输状态，它和主机的连接将释放，并返回到Stand-by

状态。

当CMD7以保留相对地址“0x0000”发送时，所有卡将返回到Stand-by状态。

这可

以用来识别新的卡而不重置其他已注册的卡。

在这种状态下已有一个RCA地址的卡不响应

识别命令（ACMD41,CMD2,CMD3）。

注意：

当卡接收到一个带有不匹配RCA的CMD7时，卡将取消选中。

在公用CM线

时，选中一个卡时将自动不选中其他卡。

因此，在SD卡系统中，主机具有如下功能：

初始化完成后，在公用CMD线时，不选中卡是自动完成的。

如果使用单独的CMD线，需要关注不选中卡的操作在主机和选择的SD卡之间的所有数据通信是点对点的方式。

所有寻址命令都需要响应。

不同数据传输模式的关系如图4-8所示，使用如下步骤：

所有读数据命令可以在任何时候通过停止命令（stopcommand,CMD12）中止。

数

据传输将中止，卡回到传输状态（TransferState）。

读命令有：

块读命令（CMD17），

多块读命令（CMD18），发送读保护（CMD30），发送scr（ACMD51），以及读模式

的通用命令（CMD56）。

所有写数据命令可以在任何时候通过停止命令（stopcommand,CMD12）中止。

在不选中卡命令CMD7前写命令必须停止。

写命令有：

块写命令（CMD24andCMD25）,写CID（CMD26）,写CSD（CMD27）,lock/unlock命令（CMD42）以及写模式通用命令（CMD56）。

一旦数据传输完成，卡将退出数据写状态并进入ProgrammingState（传输成功）或TransferState（传输失败）。

如果一个快写操作停止，而且最后一块块长度和CRC是有效的，那么数据可以被操作（programmed）卡可能提供块写缓冲。

这意味着在前一块数据被操作时，下一块数据可以传送给卡。

如果所有卡写缓冲已满，只要卡在ProgrammingState，DAT0将保持低电平（BUSY）。

写CSD、CID、写保护和擦除时没有缓冲。

这表明在卡因这些命令而处于忙时，不再接收其他数据传输命令。

在卡忙时DAT0保持低电平，并处于ProgrammingState。

实际上如果CMD和DAT0线分离，而且主机占有的忙DAT0线和其他DAT0线分开，那么在卡忙时，主机可以访问其他卡。

在卡被编程（programming）时，禁止参数设置命令。

参数设置命令包括：

设置块长度（CMD16），擦除块开始（CMD32）和擦除块结束（CMD33）。

卡在操作时不允许读命令。

使用CMD7指令把另一个卡从Stand-by状态转移到Transfer状态不会中止擦除和编程（programming）操作。

卡将切换到Disconnect状态并释放DAT线使用CMD7指令可以不选中处于Disconnect状态的卡。

卡将进入Programming状态，重新激活忙指示。

使用CMD0或CMD15重置卡将中止所有挂起和活动的编程（programming）操作。

这可能会破坏卡上的数据内容，需要主机保证避免这样的操作。

四、音频模块

该系统采用了沃尔夫森WM8731音频编解码器。

使用I2C协议进行传输。

1.内部结构

2.引脚定义

3.典型操作时序

4.音频输入原理图

模拟量输入

MIC输入

5.MIC输出原理图

五、实习用到主要程序

1.音频驱动程序

#include"my_includes.h"

#include"I2C.h"

#include"AUDIO.h"

#include"AUDIO_REG.h"

#ifdefDEBUG_AUDIO

#defineAUDIO_DEBUG（x）DEBUG（x）

#else

#defineAUDIO_DEBUG（x）

#endif

booladuio_RegWrite（alt_u8reg_index,alt_u16data16）;

staticalt_u16reg_file[10+10];

boolAUDIO_Init（void）{

boolbSuccess=TRUE;

AUDIO_DEBUG（（"[AUDIO]AUDIO_Init...\r\n"））;

if（bSuccess）

bSuccess=aduio_RegWrite（15,0x0000）;//reset

if（bSuccess）

bSuccess=aduio_RegWrite（9,0x0000）;//inactiveinterface

//usleep（20*1000）;

if（bSuccess）

bSuccess=aduio_RegWrite（0,0x0017）;//LeftLineIn:

setleftlineinvolume

if（bSuccess）

bSuccess=aduio_RegWrite（1,0x0017）;//RightLineIn:

setrightlineinvolume

if（bSuccess）

bSuccess=aduio_RegWrite（2,0x005B）;//LeftHeadphoneOut:

setleftlineoutvolume

if（bSuccess）

bSuccess=aduio_RegWrite（3,0x005B）;//RightHeadphoneOut:

setrightlineoutvolume

if（bSuccess）//enablemic-boost,bypassandsidetone

bSuccess=aduio_RegWrite（4,0x0015|0x20|0x08|0x01）;//AnalogueAudioPathControl:

setmicasinputandboostit,andenabledac

//bSuccess=aduio_RegWrite（4,0x0015）;//AnalogueAudioPathControl:

setmicasinputandboostit,andenabledac

if（bSuccess）

bSuccess=aduio_RegWrite（5,0x0000）;//DigitalAudioPathControl:

disablesoftmute

if（bSuccess）

bSuccess=aduio_RegWrite（6,0）;//powerdowncontrol:

poweronall

if（bSuccess）

bSuccess=aduio_RegWrite（7,0x0042）;//I2S,iwl=16-bits,EnableMasterMode

//bSuccess=aduio_RegWrite（7,0x0041）;//MSB-First,leftjustified,iwl=16-bits,EnableMasterMode

if（bSuccess）

bSuccess=aduio_RegWrite（8,0x0002）;//Normal,BaseOVer-SampleingRate384fs（BOSR=1）

if（bSuccess）

bSuccess=aduio_RegWrite（9,0x0001）;//activeinterface

AUDIO_DEBUG（（"[AUDIO]AUDIO_Init%s\r\n",bSuccess?

"success":

"fail"））;

returnbSuccess;

}

boolAUDIO_InterfaceActive（boolbActive）{

boolbSuccess;

bSuccess=aduio_RegWrite（9,bActive?

0x0001:

0x0000）;

returnbSuccess;

}

boolAUDIO_MicBoost（boolbBoost）{

boolbSuccess;

alt_u16control;

control=reg_file[4];

if（bBoost）

control|=0x0001;

else

control&=0xFFFE;

bSuccess=aduio_RegWrite（4,control）;//LeftLineIn:

setleftlineinvolume

returnbSuccess;

}

boolAUDI