一、团队介绍

我们的队伍名称为：我要吃火锅

队伍编号为：CICC2882

这是我们团队分享的第五篇文章，其他四篇文章链接如下：

DDR200T LCD显示模块_全国大学生集成电路创新创业大赛_RISC-V论坛讨论_RISC-V MCU中文社区 (rvmcu.com)

基于蜂鸟E203处理器的DMA模块设计_全国大学生集成电路创新创业大赛_RISC-V论坛讨论_RISC-V MCU中文社区 (rvmcu.com)

DDR200T中DDR的使用与时序介绍_全国大学生集成电路创新创业大赛_RISC-V论坛讨论_RISC-V MCU中文社区 (rvmcu.com)

NICE接口介绍_全国大学生集成电路创新创业大赛_RISC-V论坛讨论_RISC-V MCU中文社区 (rvmcu.com)

二、模块总述

    我们项目中完成了SD卡控制模块的设计，其基本功能：FPGA作为SD-host， 指定扇区号读取扇区内容，或者指定文件名能读取文件内容。为了使读取SD卡速度更快，性能更佳，项目中使用SD总线实现，而不是SPI总线，并且考虑到兼容性的问题，该SD控制模块能够自动适配SD卡版本，自动适配FAT16/FAT32文件系统。

三、SD卡初始化

   SD卡的初始化，需要先给予至少74个CLK后，再发送CMD0，因为CMD0没有参数，后面发出3个字节的0即可，再加上校验码0x95,共六个字节，发送完之后就可以读取SD卡的回应码，返回1即表明SD卡进入空闲状态，接着发送CMD41，同样没有参数发送0即可，校验码为0xff，SD卡即跳出空闲状态，可以接受命令了。因为在上电初期，电压的上升过程据SD卡组织的计算约合64个CLK周期才能到达SD卡的正常工作电压，这个时间被称为Supply ramp up time，其后的10个CLK是为了与SD卡同步，因此，在S_INIT状态下，要给予74个CLK。

四、SD卡命令

常用SD卡命令如下

五、SD卡读步骤

读步骤主要分为两步，第一步首先发送一条指令，如果发送是CMD17，则表示是对单块进行读操作，如果是CMD18，则表示对多块进行读操作，这两条指令会返回0X00。第二步，首先接受数据开始位：fe，然后接受512Bytes数据和2Bytes的CRC校验。根据这个时序就能够完成对SD卡一个扇区或者多个扇区的读操作，而写操作是通过上位机写入，此次项目并没有用硬件实现。

六、FAT文件系统

我们的项目是将权重数据存入SD卡，由于权重数据量较大，从上位机写入SD卡后，可能并非写在SD卡的连续的扇区，所以如果SD卡只能按照扇区读取，可能会出现错误，所以需要考虑文件系统，按照文件名读出所需要的文件。

此次项目中，SD卡模块能够自动适配FAT16和FAT32文件系统。

FAT文件系统用“簇”作为数据单元。一个“簇”由一组连续的扇区组成，簇所含的扇区数必须是2的整数次幂。簇的最大值为64个扇区，即32KB。所有簇从2开始进行编号，每个簇都有一个自己的地址编号。用户文件和目录都存储在簇中。

FAT文件系统的数据结构中有两个重要的结构：文件分配表和目录项。文件和文件夹内容储存在簇中，如果一个文件或文件夹需要多余一个簇的空间，则用FAT表来描述如何找到另外的簇。FAT结构用于指出文件的下一个簇，同时也说明了簇的分配状态。FAT12、FAT16、FAT32这三种文件系统之间的主要区别在与FAT项的大小不同。FAT文件系统的每一个文件和文件夹都被分配到一个目录项，目录项中记录着文件名、大小、文件内容起始地址以及其他一些元数据。 

在FAT文件系统中，文件系统的数据记录在“引导扇区中（DBR）”中。引导扇区位于整个文件系统的0号扇区，是文件系统隐藏区域（也称为保留区）的一部分，称其为DBR扇区，DBR中记录着文件系统的起始位置、大小、FAT表个数及大小等相关信息。

在FAT文件系统中，同时使用“扇区地址”和“簇地址”两种地址管理方式。这是因为只有存储用户数据的数据区使用簇进行管理，所有簇都位于数据区。其他文件系统管理数据区域是不以簇进行管理的，这部分区域使用扇区地址进行管理，文件系统的起始扇区为0号扇区。

根据FAT文件系统，我们在硬件实现时利用一个有限状态机实现，DBR状态下，判断出文件系统是FAT16还是FAT32，（此次项目中实际利用的为FAT32文件系统），判断出来后，根据FAT表找到存储该文件的各个扇区，然后将其通过读扇区模块，全部输出。

七、ASCII码转换

由于上位机写入SD卡是以TXT文件写入，TXT文件按照ASCII码存入我们的权重数据而不是按照十六进制存入，由于我们需要的数据都是16进制数而不是字符，并且文件中还有一些多余的换行符和空格，所以在项目中，我们还利用硬件将ASCII码转换为需要的16进制数，并且过滤掉其他的无关字符，只需要判度输出的数据ASCII码是否在我们需要的区间直接，如果不是则不输出。