基于Zynq FPGA对雷龙SD NAND的性能测试评估

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

该SD卡采用LGA-8封装，具体的引脚分配与定义见下图：

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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。

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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：

1. 初始化SD卡并建立FATFS文件系统；
2. 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；
3. 读取文件并测量读取时间；
4. 比较读取数据和写入数据，确保数据一致；
5. 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。

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。

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。

创建工程的步骤如下：

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

2. 创建Block Design（BD）工程；

3. 配置Zynq内核，修改时钟配置为100MHz；

4. 添加TimerA IP；

5. 自动生成设计并完成SOC搭建。

完成硬件搭建后，生成比特流文件，并将其导入到SDK中。

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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。

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 deviceTimerA_Set_Clock_Division(TimerA0,100); //divide clock as 100000000/100 = 1MhzTimerA_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。

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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。

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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。

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官网参考：雷龙官网