基于Zynq FPGA对雷龙SD NAND的性能测试评估

文章目录

一、SD NAND特征

1.1 SD卡简介

雷龙的SD NAND系列有多种型号，本次测试使用的是CSNP4GCR01-AMW和CSNP32GCR01-AOW。这些芯片基于NAND FLASH和SD控制器设计，支持强大的坏块管理和纠错功能，并能在意外断电的情况下确保数据安全。

其主要特点包括：

接口支持SD2.0，支持2线或4线模式；
电压支持：2.7V-3.6V；
默认模式：可变时钟速率0 - 25MHz，接口速度高达12.5 MB/s（使用4条并行数据线）；
高速模式：可变时钟速率0 - 50MHz，接口速度高达25 MB/s（使用4条并行数据线）；
工作温度范围：-40°C ~ +85°C；
存储温度范围：-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；
支持SD NAND密码保护（CMD42 - LOCK_UNLOCK）；
内置写保护功能（永久和临时）；
提供机械开关的写保护功能；
提供应用程序特定命令；
支持舒适擦除机制。

该SD卡支持SDIO和SPI协议读写，最高读写速度可达25MB/s。实际的读写速度会根据MCU和接口情况进行调整。通常在简单的嵌入式系统中，若对读写速度要求不高，会选择使用SPI协议。但无论使用SDIO还是SPI，都需要符合相关协议规范，才能成功搭建文件系统。

1.2 SD卡Block图

（此处插入图片：SD卡封装为LGA-8的引脚分配与定义）

该SD卡采用LGA-8封装，具体的引脚分配与定义见下图：

在这里插入图片描述

二、SD卡样片

与样片一同寄来的还有转接板，转接板将LGA-8封装的芯片转接到标准的SD卡接口，这样只需将转接板插入SD卡卡槽即可使用。

（此处插入图片：CS创世SD NAND转接板）

三、Zynq测试平台搭建

测试平台使用的是Xilinx的Zynq 7020 FPGA芯片，搭配Digilent Zybo Z7板卡。以下为相关配置：

Vivado版本：2018.3
文件系统：FATFS
SD卡接口：SD2.0

3.1 测试流程

本次测试针对4GB和32GB两种容量的SD卡，在Zynq FPGA上搭建了SD卡读写回路，旨在测试SD卡的读写速度并验证读写一致性。

测试步骤如下：

初始化SD卡并建立FATFS文件系统；
进入测试程序，首先写入一定大小的文件，然后测量写入时间；
读取文件并测量读取时间；
比较读取数据和写入数据，确保数据一致；
通过写入时间和读取时间计算写入速度和读取速度。

测试过程将重复进行100次，最终输出测试报告。

（此处插入图片：Zynq FPGA上搭建的SD卡读写回路）

3.2 SOC搭建

硬件搭建框图如下，在本系统中我们使用了PS端的SDIO接口来驱动SD NAND芯片，并通过UART与PC进行数据交互。

PL端硬件搭建非常简单，仅使用了一个Timer定时器来测量时间。

（此处插入图片：SD NAND（SD卡）PL端的硬件搭建）

使用Zybo板卡文件创建工程，该文件会自动配置板卡中的硬件资源，若使用其他板卡，则需要手动配置DDR等硬件资源。

在这里插入图片描述

创建工程的步骤如下：

点击Setting -> IP -> Repository -> +，添加Timer IP核的路径；

在这里插入图片描述

创建Block Design（BD）工程；

在这里插入图片描述

配置Zynq内核，修改时钟配置为100MHz；

在这里插入图片描述

添加TimerA IP；

在这里插入图片描述

自动生成设计并完成SOC搭建。

在这里插入图片描述

完成硬件搭建后，生成比特流文件，并将其导入到SDK中。
在这里插入图片描述

四、软件搭建

在SDK中创建一个空白工程，并在其中编写测试程序。在每次读写操作开始之前，通过TimerA0_start()函数启动计时器，读写完成后通过TimerA0_stop()停止计时，从而获取操作所消耗的时间。

在这里插入图片描述

相关的Timer驱动函数在user/TimerA_user.c文件中定义。

#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<PACK_LEN;i++) {
        test_buffer[i] = '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;
}

测试过程中，我们通过写入和读取文件测得读写时间，计算出实际的读写速度，并将结果与预期值进行对比。

五、测试结果

经过测试，4GB和32GB两种型号的SD NAND芯片的读写速度如下：

写入速度：随着数据量的增加，写入速度也会增加；
读取速度：读取速度通常会高于写入速度，这符合SD卡的常规特性。

CSNP32GCR01-AOW型号的SD NAND芯片相较于CSNP4GCR01-AMW，具有更高的读写速度。

（此处插入图表：SD NAND的读写速度数据）

在这里插入图片描述

六、总结

虽然原计划尝试将这些样片用于信息安全领域，但由于芯片内部似乎内置了复位或初始化功能，导致无法提取上电时的不确定值，因此未能进行SD NAND的物理不可克隆特性测试。

然而，关于芯片正常读写功能的测试结果令人满意，且芯片的价格具有竞争力。LGA-8封装形式特别适合用于没有卡槽的嵌入式开发板设计，能够有效简化硬件设计和减小硬件面积。

测试工程的链接可见：测试工程链接。

官网参考：雷龙官网