基于Zynq FPGA的SD NAND存储芯片性能测试
前言
随着嵌入式系统和物联网设备的快速发展，高效可靠的存储解决方案变得越来越重要。雷龙发展推出的SD NAND存储芯片，作为一种基于NAND FLASH和SD控制器集成的创新存储解决方案，以其紧凑的设计、强大的坏块管理以及优秀的纠错能力，在众多应用场景中展现出了显著的优势。为了验证这类存储芯片在实际应用中的表现，本文通过基于Xilinx Zynq 7020 FPGA平台的实验设置，对两种不同容量（4GB和32GB）的SD NAND芯片进行了详细的读写速度及稳定性测试。整个测试不仅包括了对SD卡的基本读写操作及其速度评估，还特别关注了在多次读写循环下的数据一致性和可靠性。通过这次详尽的测试，为开发者们提供有关如何有效利用SD NAND存储解决方案的第一手资料，也展示了此类存储介质在嵌入式项目中的潜在价值。
一、SD NAND特征
1.1 SD卡简介
雷龙公司推出的SD NAND存储解决方案，如CSNP4GCR01-AMW与CSNP32GCR01-AOW等型号，是专为满足现代嵌入式系统需求而设计的一种高效存储介质。这些SD NAND存储芯片结合了高性能NAND闪存与先进的SD控制器技术，能够在确保数据完整性的同时提供出色的读写速度。特别是它们具备强大的坏块管理能力和先进的纠错算法，即使在遭遇意外断电的情况下也能有效保护数据免受损失。
从技术规格来看，这些SD NAND产品兼容SD2.0标准，支持2线或4线接口配置，适用于各种不同的应用场景。它们的工作电压范围为2.7V至3.6V，这使得它们非常适合作为便携式设备或电池供电系统的理想选择。此外，这些芯片提供了两种工作模式以适应不同的性能需求：默认模式下，最大接口传输速度可达12.5MB/s；而在高速模式下，这一数值翻倍达到25MB/s，极大地提升了数据处理效率。值得注意的是，无论处于哪种模式，均需配合4条并行数据线来实现最佳性能表现。
雷龙的SD NAND存储方案还特别强调了环境适应性，其工作温度范围宽泛，从-40°C到+85°C，确保了即便是在极端条件下也能稳定运行。同时，这些芯片拥有极低的待机电流消耗（<250uA），有助于延长移动设备的电池寿命。安全性方面，除了基本的数据保护措施外，该系列产品还集成了符合SDMI最高安全标准的内容保护机制，支持通过CMD42命令实现SDNAND密码保护，增强了用户数据的安全性。另外，物理层面的写保护功能可以通过外部机械开关激活，而内部则同时提供了永久性和临时性的写保护选项，进一步增加了灵活性。
在通信协议的支持上，雷龙SD NAND芯片既支持SDIO读写也兼容SPI协议，这为开发者提供了更多样化的接入方式选择。尽管官方标称的最大读写速度可达25MB/s，但实际能达到的速度水平将取决于具体的MCU性能及所用接口类型等因素。对于那些对读写速率没有过高要求的应用场景而言，采用SPI协议往往是一个更为简便且成本效益更高的解决方案。无论是采取哪种协议，都必须严格遵循相关规范，以确保正确地建立文件系统并维持良好的数据交换质量。凭借其卓越的性能指标、丰富的功能特性以及广泛的应用潜力，雷龙SD NAND存储解决方案无疑成为了当今嵌入式领域内极具竞争力的产品之一。
二、SD卡样片
与样片同时寄来的还有转接板，转接板将LGA-8封装的芯片转接至SD卡封装，这样只需将转接板插入SD卡卡槽即可使用。
三、Zynq测试平台搭建
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测试平台为 Xilinx 的Zynq 7020 FPGA芯片；
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板卡：Digilent Zybo Z7
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Vivado版本：2018.3
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文件系统：FATFS
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SD卡接口：SD2.0
3.1 测试流程
本次测试主要针对4G和32G两个不同容量的SD卡，在Zynq FPGA上搭建读写回路，从而对SD卡读写速度进行测试，并检验读写一致性；
测试流程：
进入测试程序前，首先会对SD卡初始化并初始化建立FATFS文件系统，随后进入测试SD卡测试程序，在测试程序中，会写入一定大小的文件，然后对写入文件的时间进行测量，得到写入时间；然后再将写入的文件读出，测量获得读出时间，并将读出数据与写入数据相比较，检测是否读写出错。
通过写入时间、读出时间可计算得到写入速度、读出速度；将以上过程重复100次并打印报告。
四、软件搭建
在SDK中新建一个空白工程；
点击file -> new -> Application project;
在新建的过程中创建一个main.c文件，并在里面编写测试程序如下：
在每次读写开始前，通过TimerA0_start()函数开始计时，在读写结束后可以通过TimerA0_stop()结束计时，从而测得消耗时间。
相应的Timer驱动函数在user/TimerA_user.c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;
}五、测试结果
经测试，两种型号的芯片读写速度如下图表所示。
其SD NAND的读写速度随着读写数据量的增加而增加，并且读速率大于写速率，这符合SD卡的特性；
对比两种型号SD NAND芯片，发现CSNP32GCR01-AOW型号具有更高的读写速度；
六、总结
在这篇文章中，介绍了对雷龙公司生产的两种型号的SD NAND存储芯片（CSNP4GCR01-AMW与CSNP32GCR01-AOW）进行的性能测试。这些SD NAND芯片基于NAND FLASH和SD控制器实现，提供了强大的坏块管理、纠错功能以及在意外断电情况下的数据安全保障。测试过程中，使用了Xilinx Zynq 7020 FPGA作为测试平台，通过对这两种不同容量（4GB和32GB）的SD NAND芯片进行读写速度测试，发现随着读写数据量的增加，读写速度也随之提高，并且读取速度普遍高于写入速度，这与SD卡的一般特性相符。值得注意的是，CSNP32GCR01-AOW型号表现出更高的读写速度。
测试结果显示，这两种型号的SD NAND芯片在正常读写操作下的表现令人满意，而且价格合理。此外，LGA-8封装形式使得这种存储解决方案非常适合无卡槽的嵌入式开发板设计，有助于简化硬件设计并减少所需空间。然而，在尝试探索这些芯片在信息安全领域的应用时遇到了限制，因为发现芯片内置了复位或初始化机制，这阻止了研究人员提取上电时可能存在的不确定性值，因此无法进一步研究SD NAND的物理不可克隆特性。
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