用CPLD支持多個SD器件

在一個系統中添加多個安全數字 (SD) 器件的需求日益增長。然而，大多數主機器件（如 Intel PXA270、TI OMAP和Qualcomm MSM處理器）都只提供一個SD接口。幸運的是，使用復雜可編程邏輯器件（CPLD）即可使主機器件支持任意數量的SD器件。本文詳細講述一種基于可縮放自動偵測雙向多路復用器的設計。

　　圖1所示為通用的CPLD使用模型，可以為僅自帶一個SD接口的給定主機器件集成任意數量的SD端口。CPLD處于主機控制器和SD器件之間。這樣，CPLD便起到雙向多路復用器的作用，使主機器件能夠與選定的任意SD器件通信。更重要的是，這種設計沒有方向控制引腳，也就是說CPLD自動檢測數據流方向。

圖1 用CPLD增加SD端口

　　這種實現方法極其靈活且可縮放，允許隨意增減SD端口數量，還支持SPI模式、1位數據模式和 4 位數據模式中任一種定義的SD卡模式。

　　在此類應用中使用CPLD器件，主要目的是為主機控制器提供更多的SD端口，同時在主機器件與SD卡之間實現電平轉換和邏輯隔離。圖1所示為主機器件是1.8V而 SD器件是3.3V的情形。業界最新CPLD的待機電流微不足道，而動態功耗極低。因此，在系統中集成一個復雜可編程邏輯器件不會顯著影響功率預算。

　　符合SDA規范

　　根據SDA（安全數字協會）規范，一條SD總線只能支持一個SD器件。時鐘引腳可以共用，但DAT[3:0]和CMD線則必須由每個SD器件獨占，如圖2所示。

圖2 SD系統總線拓撲結構

　　此參考設計完全符合SDA規范。下面介紹當使用只有一條總線的控制器支持任意數量的SD 器件時如何滿足上述要求。

　　CPLD設計

　　圖 3 所示為用此設計實現兩個SD器件共用同一SD主機接口時的典型用法。從概念上講，可以將這種設計視為和用作雙向多路復用器。主機器件通過“選擇”信號控制CPLD，從而指示與哪個SD器件通信。一旦選中某個SD器件，CPLD器件中的邏輯便自動檢測數據流的方向，并且讓數據相應流動（從主機器件流向SD卡，或者從SD卡流向主機器件）。此設計不需要方向控制引腳，因此使用方便。

圖3 模塊級圖：雙向多路復用器

　　當多路復用器相應切換時，主機器件可分別訪問各SD器件，而不會影響另一SD器件的狀態。如果主機器件和SD器件都未驅動數據，則CPLD讓系統處于默認的呈弱上拉狀態的高阻抗。此電路的主要用途是加強主機器件的SD能力，但也可用此電路提供電平轉換和/或邏輯隔離。

　　實現細節

　　圖4所示為1:2雙向多路復用器設計的實際邏輯電路，該設計可用VHDL語言描述。在初始或空閑狀態下，主機器件和SD卡應處于呈弱上拉狀態的高阻抗。因此，圖4中的電路設計成對 CPLD的輸出緩沖器進行三態控制，從而使外部上拉電阻起作用。寄存器A (A_REG)和寄存器B (B_REG)都設計成在上電時初始化為邏輯“0”。

圖4 兩個SD器件的SD多路復用器電路

　　通過向 CPLD 輸入“選擇”信號來選擇SD卡。當“選擇”信號為邏輯“0”時選擇SD1，而當“選擇”信號為邏輯“1”時選擇SD2器件。為電路敘述簡明起見，我們假設在以下討論中主機器件只選擇與SD1通信。

　　此設計的自動方向控制方面的實現方式為：當主機器件與SD1器件二者之一置為低時啟動事務。例如，如果主機器件準備向 SD1 器件傳送數據，則主機器件通過將A側置為低來開始傳送。在置為低時，電路中的邏輯檢測到置低的下降沿，并且通過啟用“B”輸出緩沖器置為有效來響應，而“A”輸出緩沖器仍保持無效狀態。尤其是當A置為低時，會向A_REG的時鐘輸入傳送一個上升沿。繼時鐘控制之后，A_REG的Q輸出變為邏輯“1”，從而阻止B_REG接收時鐘控制事件。當A變為低時，邏輯門B1在A_REG時鐘控制與觸發的同時輸出一個邏輯“1”。這樣便可啟用“B”輸出緩沖器，而B最終會跟隨A置為低。

　　反之，當A從低轉為高時，邏輯門B1輸出一個低信號，對B輸出緩沖器進行三態控制。這樣便通過外部上拉電阻強制B變為高。一旦A側和B側都變為高，則A_REG和B_REG 復位到0。此過程無限次重復。當SD1要向主機器件傳送數據時，情況相反。另外，如果主機器件準備與SD2器件通信，則電路的“選擇”信號輸入置為邏輯“1”，其事件順序與上述相似。

設計驗證

　　1 仿真結果

　　對于此電路，用ModelSim進行了廣泛的功能和時序仿真，測試激勵已經包括在VHDL 下載中。圖5所示為部分仿真結果。

　　在圖5的第一部分中，“選擇”信號輸入保持為低。白色虛線指示“弱1”狀態，換言之就是表示上拉狀態。在第一個事務中，主機器件嘗試向SD1傳送數據，SD1隨即響應。緊接著，SD1器件嘗試向主機器件傳送數據，主機器件隨即響應。當“選擇”信號輸入置為低時，會發生類似事件。主機器件向SD2器件傳送數據，然后SD2器件向主機器件傳送數據。

圖5 仿真結果

　　2 硬件結果

　　Xilinx制作了一塊SD多路復用器演示板，并用該電路板驗證了此雙向多路復用設計。圖 6 所示為該演示板，在中間位置有一個CoolRunner-II XC2C32A CPLD。沿該板的上邊緣是兩個SD卡插槽。該板的最下部分是依照SD卡的實際尺寸設計的。圖7所示為插在USB SD卡讀卡器中的演示板。無論是第一張卡還是第二張卡，XC2C32A都能使PC與之完美地通信。

圖6 Xilinx SD多路復用器演示板

　　圖7 插在USB SD卡讀卡器中的Xilinx演示板

　　器件資源占用率

　　表 1 列出了各種實現的器件資源占用率統計數據。如SDA規范中所述，SD卡有三種定義的信令模式，即SPI模式、1位數據傳輸模式和4位數據傳輸模式。此設計可輕松地適用于任意一種選定模式。該設計還允許使用任意數量的 SD 擴展端口，默認的VHDL代碼設置為兩個端口。

　　電壓和電流考慮事項

　　SDA規范對SD卡規定了嚴格的電壓和電流要求。可編程邏輯器件功耗極低并且具有 I/O分組等功能，因此非常適合這種應用。I/O可以配置成? 1.5V、1.8V、2.5V或3.3V，因此可以連接任何SD器件。CPLD還包含I/O組，因而具有在處理器與SD卡之間進行電壓轉換的功能。

　　現有復雜可編程邏輯器件的極低功耗特性使待機工作電流低達 15μA。在系統中增加一個低功耗CPLD對電流預算影響甚微。

　　結論

　　隨著SD器件的推廣，將越來越需要用主機控制器支持多個SD器件。本文針對這一問題提供了一種經過驗證的解決方案。此解決方案讓設計人員能夠靈活地選擇在一個系統中實現兩個或更多SD器件。