支持多个 SD 卡的切换解决方案
2008-09-24 11:31:15
来源：《半导体器件应用》2008年9月刊
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引言
市面上许多手机和便携设备（如数码相机）都能通过插入一块标准、小型或微型 SD卡来增加内存。这一功能刺激了共享或扩展主机处理器 SDIO（安全数字 I/O）端口从而连接多个设备的需求。SD 卡接口设计为一个 6 通道总线，当中 1 个通道用于时钟、一个用于命令，其余 4 个用于数据线路。
按照 SD 卡协会（SD Card Association， SDA）的物理层规范，可将多卡与总线连接，只要每个卡都有专门的一套命令和数据通道（时钟可共享）。若在主机只有一套命令/数据通道的情况下扩展 SDIO 接口，还必须解决几个问题，才能实现优化解决方案。无论采用什么方法来扩展接口，插入的扩展部件绝不能影响功能运作和造成系统延迟。飞兆半导体已推出占位尺寸小及成本低的解决方案，即 FSSD06 多路复用器，将一个 SDIO 端口扩展成多个端口。
扩展 SDIO 接口的约束条件
市面上有两种电压范围的 SD 卡及配件产品，即电压在 2.7 到 3.3V 的高压卡，以及要么工作在上述高压范围，要么使用 1.8V 标称低压的双电压卡。因此，理想的解决方案应当让主机控制器能够同时与这两种卡接口，为用户带来最大的灵活性。
用于扩展 SDIO 接口的插入扩展部件绝不能影响功能运行和造成系统延迟。接口通信定义了多种模式（即不同速率）。缺省模式定义为 0 到 25MHz 之间可变的时钟速率，可通过 4 条并行数据线以每秒 12.5MB 的速率传输数据。高速模式支持高达 50MHz 的时钟速率，可通过接口以每秒 25MB 的速率传输数据。对 SDIO 接口进行复用的处理速度必须足够快，并不能对高速模式的数据传输速率造成限制。
卡的初始化和识别以低速进行，采用漏极开路输出信号接法，时钟速率在 100 kHz 到 400kHz 之间。初始化一完成，主机就进入数据传输模式，而接口则可根据具体 SD 卡的模式（即卡的数据传输速率）相应提高速率。数据传输模式采用推挽信号接法，时钟速率可达 50MHz。扩展 SDIO 接口的电路必须解释协议并清楚了解主机何时进入数据传输模式，必须能以既有利于初始化（漏极开路信号），又有利于数据传输模式（推挽信号）的交替方式实现通信。
最后，当主机或卡都不向接口传输数据时，端口复用器必须让系统处于缺省的高阻抗状态，备有所需的升压电阻来控制命令和数据线。SD 卡规范定义的升压电阻阻值在 10k 到 100k 欧姆之间，用于防止总线处于浮接状态。
FSSD06 的功能特点
飞兆半导体针对扩展 SDIO 接口的目标应用开发出一种产品，名为 FSSD06 多路复用器，其每项功能均为应对前述挑战而设计。概括而言，FSSD06 的这些功能是通过飞兆半导体的专有架构来实现，这个架构综合了无源 FET 开关与有源缓冲器的最佳功能。
首先，让我们看看主机控制器和市面上各种类型 SD 卡对电源电压的灵活性需求。FSSD06 的每个端口都有一个专门的电源引脚，这样逻辑高位端口电压就可以准确地做到所期望的电压值。主机和卡之间的电压转换由 FSSD06 的内部电路来管理，系统设计人员只需在每个端口加上所期望的电压，不用操心其它任何事情。对不用的端口，电源引脚必须接地，而命令和数据引脚可以接地也可浮接。
为了支持高速模式，FSSD06 具有非常短的传送延迟，典型延迟范围在 1 到 2 纳秒。这个响应速度在 SD 接口的电容性负载达到 40pF 的最大容许值时尤其重要。FSSD06 采用飞兆半导体的专有输出驱动电路，该电路的驱动强度可调，能够提供极短的信号脉冲沿上升时间，亦允许系统工作在漏极开路（初始化）信号模式和推挽（高速传输）信号模式。
将这种方法与纯漏极开路方法做个比较，后者类似于 FPGA 供应商建议的方法，必需采用较低的升压电阻才能达到所要求的数据速率。升压电阻低带来一个问题，即 SD 卡控制器将信号拉到逻辑低电平时所需的功耗大幅增加。而且这个问题在接口的电容性负载增加时更加恶化。
SDIO 技术规范所允许的总线最大电容性负载为 40pF，而且采用纯无源的升压电阻来实现逻辑高电平状态，这会影响接口的最大工作速率。系统设计人员必须在采用低阻抗端接而导致功耗增加与数据传输期间的工作速率之间作出权衡折衷。 而 FSSD06 采用了针对两种模式优化的驱动电路，使系统设计人员完全摆脱这种约束。FSSD06 的输出也采用同样的专有驱动电路，无需解释主机控制器的命令就能实现双向通信，因而简化所需的逻辑并进一步减少总体系统功耗。
如果能将 SD 卡插槽与主机接口隔离（比如在无通信期间），效果可能会更好。这可用 OEb 引脚禁用 FSSD06 的两个端口来实现。根据 SDIO 接口规范，时钟线上没有升压电阻，如果 SD 卡仍处于上电状态，卡的时钟线将处于浮接。不过，FSSD06 通过连接一个微小的升压电阻到任何未选中的卡端口的时钟线上，解决了这个问题，防止上电的 SD 卡因浮接了一个 CMOS 输入而产生振荡，造成额外的功耗。
由于 SDIO 接口扩展逐渐在超便携（电池供电的）设备中应用，最大限度地降低功耗对延长电池工作时间或电池最终寿命非常关键。我们所讨论的 FSSD06 器件的功能特点，都是针对降低设备功耗以及简化从单卡设计到多卡设计的转换而开发的。
●内置电压转换电路
●无需采用低阻抗升压电阻，就能在高速模式下驱动大电容性负载
●自动感测通信方向
●支持所有定义的 SD 卡模式：1 位、4 位或 SPI
应用发展
在设计需要扩展 SDIO 接口的系统时，需要考虑几个关键事项。设计人员面临的最重要选择是决定命令（CMD）和数据（DAT）信号的升压电阻的最优值。该阻值越小，信号的完整性越好，这取决于迹线的长度，在高速数据传输时尤为突出；但系统功耗会增加。
飞兆半导体开发出高度可配置的评测板，为设计人员提供协助。该板卡可插入各种阻值的升压电阻。在每个 SD 卡端口都能测量不同阻值升压电阻在每条迹线的电容性负载为 30pF 时的效果，阻值范围是从 4.7k 到 100k 欧姆。四条数据迹线的每一条都具有相应的不同升压阻值，而命令线则可选择五种不同的阻值，每种都有一个自有的跳线。使用这种配置的评测板，开发人员就能评测初始化和数据传输模式下时钟、命令和数据线上的信号波形（在每条迹线上提供了测试点）。通过监视评测期间的电源电流，就可以选出最优的升压电阻，既能达到很好的信号完整性，同时又能最大限度地降低总体系统功耗。
为监视电流及评测不同电压下的接口信号，该评测板还提供一些连接器，对主机端口和每个 SD 卡端口进行独立供电。使用跳线从连接器对特定的 SD 卡加电。评测板还配有 3 个调压器（1.8V、2.6V 和 3.3V），便于用户根据其应用进行电压安排。
飞兆半导体目前并提供 FSSD06 评测板和用户手册。
市面上许多手机和便携设备（如数码相机）都能通过插入一块标准、小型或微型 SD卡来增加内存。这一功能刺激了共享或扩展主机处理器 SDIO（安全数字 I/O）端口从而连接多个设备的需求。SD 卡接口设计为一个 6 通道总线，当中 1 个通道用于时钟、一个用于命令，其余 4 个用于数据线路。
按照 SD 卡协会（SD Card Association， SDA）的物理层规范，可将多卡与总线连接，只要每个卡都有专门的一套命令和数据通道（时钟可共享）。若在主机只有一套命令/数据通道的情况下扩展 SDIO 接口，还必须解决几个问题，才能实现优化解决方案。无论采用什么方法来扩展接口，插入的扩展部件绝不能影响功能运作和造成系统延迟。飞兆半导体已推出占位尺寸小及成本低的解决方案，即 FSSD06 多路复用器，将一个 SDIO 端口扩展成多个端口。
扩展 SDIO 接口的约束条件
市面上有两种电压范围的 SD 卡及配件产品，即电压在 2.7 到 3.3V 的高压卡，以及要么工作在上述高压范围，要么使用 1.8V 标称低压的双电压卡。因此，理想的解决方案应当让主机控制器能够同时与这两种卡接口，为用户带来最大的灵活性。
用于扩展 SDIO 接口的插入扩展部件绝不能影响功能运行和造成系统延迟。接口通信定义了多种模式（即不同速率）。缺省模式定义为 0 到 25MHz 之间可变的时钟速率，可通过 4 条并行数据线以每秒 12.5MB 的速率传输数据。高速模式支持高达 50MHz 的时钟速率，可通过接口以每秒 25MB 的速率传输数据。对 SDIO 接口进行复用的处理速度必须足够快，并不能对高速模式的数据传输速率造成限制。
卡的初始化和识别以低速进行，采用漏极开路输出信号接法，时钟速率在 100 kHz 到 400kHz 之间。初始化一完成，主机就进入数据传输模式，而接口则可根据具体 SD 卡的模式（即卡的数据传输速率）相应提高速率。数据传输模式采用推挽信号接法，时钟速率可达 50MHz。扩展 SDIO 接口的电路必须解释协议并清楚了解主机何时进入数据传输模式，必须能以既有利于初始化（漏极开路信号），又有利于数据传输模式（推挽信号）的交替方式实现通信。
最后，当主机或卡都不向接口传输数据时，端口复用器必须让系统处于缺省的高阻抗状态，备有所需的升压电阻来控制命令和数据线。SD 卡规范定义的升压电阻阻值在 10k 到 100k 欧姆之间，用于防止总线处于浮接状态。
FSSD06 的功能特点
飞兆半导体针对扩展 SDIO 接口的目标应用开发出一种产品，名为 FSSD06 多路复用器，其每项功能均为应对前述挑战而设计。概括而言，FSSD06 的这些功能是通过飞兆半导体的专有架构来实现，这个架构综合了无源 FET 开关与有源缓冲器的最佳功能。
首先，让我们看看主机控制器和市面上各种类型 SD 卡对电源电压的灵活性需求。FSSD06 的每个端口都有一个专门的电源引脚，这样逻辑高位端口电压就可以准确地做到所期望的电压值。主机和卡之间的电压转换由 FSSD06 的内部电路来管理，系统设计人员只需在每个端口加上所期望的电压，不用操心其它任何事情。对不用的端口，电源引脚必须接地，而命令和数据引脚可以接地也可浮接。
为了支持高速模式，FSSD06 具有非常短的传送延迟，典型延迟范围在 1 到 2 纳秒。这个响应速度在 SD 接口的电容性负载达到 40pF 的最大容许值时尤其重要。FSSD06 采用飞兆半导体的专有输出驱动电路，该电路的驱动强度可调，能够提供极短的信号脉冲沿上升时间，亦允许系统工作在漏极开路（初始化）信号模式和推挽（高速传输）信号模式。
将这种方法与纯漏极开路方法做个比较，后者类似于 FPGA 供应商建议的方法，必需采用较低的升压电阻才能达到所要求的数据速率。升压电阻低带来一个问题，即 SD 卡控制器将信号拉到逻辑低电平时所需的功耗大幅增加。而且这个问题在接口的电容性负载增加时更加恶化。
SDIO 技术规范所允许的总线最大电容性负载为 40pF，而且采用纯无源的升压电阻来实现逻辑高电平状态，这会影响接口的最大工作速率。系统设计人员必须在采用低阻抗端接而导致功耗增加与数据传输期间的工作速率之间作出权衡折衷。 而 FSSD06 采用了针对两种模式优化的驱动电路，使系统设计人员完全摆脱这种约束。FSSD06 的输出也采用同样的专有驱动电路，无需解释主机控制器的命令就能实现双向通信，因而简化所需的逻辑并进一步减少总体系统功耗。
如果能将 SD 卡插槽与主机接口隔离（比如在无通信期间），效果可能会更好。这可用 OEb 引脚禁用 FSSD06 的两个端口来实现。根据 SDIO 接口规范，时钟线上没有升压电阻，如果 SD 卡仍处于上电状态，卡的时钟线将处于浮接。不过，FSSD06 通过连接一个微小的升压电阻到任何未选中的卡端口的时钟线上，解决了这个问题，防止上电的 SD 卡因浮接了一个 CMOS 输入而产生振荡，造成额外的功耗。
由于 SDIO 接口扩展逐渐在超便携（电池供电的）设备中应用，最大限度地降低功耗对延长电池工作时间或电池最终寿命非常关键。我们所讨论的 FSSD06 器件的功能特点，都是针对降低设备功耗以及简化从单卡设计到多卡设计的转换而开发的。
●内置电压转换电路
●无需采用低阻抗升压电阻，就能在高速模式下驱动大电容性负载
●自动感测通信方向
●支持所有定义的 SD 卡模式：1 位、4 位或 SPI
应用发展
在设计需要扩展 SDIO 接口的系统时，需要考虑几个关键事项。设计人员面临的最重要选择是决定命令（CMD）和数据（DAT）信号的升压电阻的最优值。该阻值越小，信号的完整性越好，这取决于迹线的长度，在高速数据传输时尤为突出；但系统功耗会增加。
飞兆半导体开发出高度可配置的评测板，为设计人员提供协助。该板卡可插入各种阻值的升压电阻。在每个 SD 卡端口都能测量不同阻值升压电阻在每条迹线的电容性负载为 30pF 时的效果，阻值范围是从 4.7k 到 100k 欧姆。四条数据迹线的每一条都具有相应的不同升压阻值，而命令线则可选择五种不同的阻值，每种都有一个自有的跳线。使用这种配置的评测板，开发人员就能评测初始化和数据传输模式下时钟、命令和数据线上的信号波形（在每条迹线上提供了测试点）。通过监视评测期间的电源电流，就可以选出最优的升压电阻，既能达到很好的信号完整性，同时又能最大限度地降低总体系统功耗。
为监视电流及评测不同电压下的接口信号，该评测板还提供一些连接器，对主机端口和每个 SD 卡端口进行独立供电。使用跳线从连接器对特定的 SD 卡加电。评测板还配有 3 个调压器（1.8V、2.6V 和 3.3V），便于用户根据其应用进行电压安排。
飞兆半导体目前并提供 FSSD06 评测板和用户手册。
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