特集 SPI 通信コアを実装第5章入門 FPGA 評価ボード DE0 と MicroBoard で試せる！ SD メモリーカードをつなげて FPGA でお手軽ストレージ横溝憲治 Kenji Yokomizo 高速大容量ストレージとしては SATA 接続のハード・ディスクが有効ですが，そこまでの容量は必要としない用途も多いでしょう．容量は数百 M バイト程度でかまわないので，より手軽に接続制御できるストレージとして，デジタルカメラなどでおなじみの SD カードがあります．ここでは OpenCores で公開されている SPI 通信を使った SD メモリーカード用 IP コアを使って，FPGA から SD メモリーカードへのアクセス方法を紹介します． 1．SD カードの基礎知識 ● 使用するのは SD 規格のカード SD メモリーカードは，カードの容量の増大に合わせて SD，SDHC，SDXC と規格が用意されてきました．アクセス方法は規格によって少し違っています．今回の利用する IP コアは SD 規格が対象で，SDHC と SDXC 規格のカードは対象外になります． SD メモリーカードの通信方式にはパラレル転送モードと SPI 通信を使う SPI モードが用意されています．前者の利用にはライセンスが必要なので，ライセンスが不要の後者を選択することになります．カードの形状は SD，miniSD，microSD がありますが，アクセス方法はどの形状でも同じです． ● SPI 通信の概要 SPI 通信は SCLK（Serial Clock），MISO（Master In Slave Out），MOSI（Master Out Slave In），SS（Slave Select）の 4 本の信号を使ったシリアル通信です．SD メモリーカードのSPI モード以外に，シリアル EEPROM や A-D/D-A コンバータなどの通信に広く採用されています． SD メモリーカード用 IP コアを使う場合は IP コアが 3.3V マスタ FPGA IPコア spiCS_n spiClkOut spiDataOut spiDataIn 図1 SS_n SCLK MOSI MISO スレーブ SDメモリーカード DATA3 CLK CMD DATA0 SD メモリーカードの配線接続 SD メモリーカードの SS 信号は負論理（0 でセレクト）なのでサンプル回路では信号名を SS_n としている． 56 第5章 SPI 通信をコントロールしてくれるので，ここでは詳細には触れず概略のみ紹介します．図 1 は SPI モードで SD メモリーカードにアクセスする場合の配線です．FPGA がマスタで，SD メモリーカードがスレーブになります．SCLK はクロックでマスタが出力します．MOSI はマスタからの送信データ，MISO はスレーブからの送信データです．SS 信号はスレーブデバイスのセレクト信号でマスタが出力します．SD メモリーカードの SS 信号は負論理なので今回のサンプル回路では信号名を SS_n としてあります． ● SPI 通信モード SPI 通信は待機時の SCLK の値とデータ・ラッチのタイミングの組み合わせで四つのモード（表 1）があります．SD メモリーカードの SPI 通信は MODE0 で動作します．図 2 は SD メモリーカードの SPI 通信の波形です．SS_n が 1 から 0 に変化するとアクセスが開始します．MODE0 なので送信データが先行して送信され，その後にクロックが立ち上がり，受信側でデータをラッチします．その後にクロックが立ち下がったら送信データの次のビットを出力します．クロックが停止して SS_n が 1 になると転送終了です． ● SPI コマンド SD メモリーカードのコントロールは SPI コマンドを使用します．表 2 は IP コアで使用する SPI コマンドで，図 3 は SPI コマンドとレスポンスのフォーマットです．SPI コマンドは 6 バイトで構成されています．1 バイト目の先頭 2 ビットはスタート・コードで 01 が入ります．残り 6 ビットはコマンド・インデックスでコマンドが指定されます．2 〜 5 バイト目にはコマンドの引数，6 バイト目は CRC 演算結果が 7 ビット入り，最後に終了ビットとして 1 を 1 ビット送信します． SD メモリーカードは SPI コマンドを受信するとコマンド・レスポンスを返信します．IP コアを利用する場合は，IP コアが転送種類に応じて SPI コマンドを自動で送信してくれるので，コマンドの内容を指定す SD メモリーカードをつなげて FPGA でお手軽ストレージ