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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．
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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