超小型Z80マイコン（その８）メモリカードエラーの調査 [Z80]
20 ピンの USB 対応の PIC を使った 3 チップ構成の小型 Z80 基板を引き続き検討中です。前回の記事で書いた TF(SD) カードの読み書きでのエラーの原因について調査したのでメモを残しておきます。今まではロジアナで SPI 信号を確認していましたが、今回は信号の波形をオシロで確認してみました。
下図は初期化処理で最初に発行する CMD0 の波形例で、クロック周波数は 400KHz で 8GB の TF カードで試験しています。
各信号は、１（黄色）：SDCS/、２（水色）：SDCK、３（紫）：SDO、４（緑）：SDI です。
次に発行するコマンドの CMD8 も含めた波形が下図になります。
TF の出力である SDI（緑）のレベルが段々低くなっているので USB から給電されている 5V からレギュレータで作っている 3.3V 電源の電圧が低下するようです。
今回は 20 ピンの PIC（PIC18F14K50）を使用し、I/O 数が少ないため I/O を兼用して制御していることもあり、TF エラーの原因を切り分けるために PIC と TF のみの構成で安定化電源からの 3.3V 給電で動く環境をブレッドボードで作成し確認して見ました。
その結果、TF のリードもライトも問題無く実行できたので SPI 関連の設定等は問題無さそうです。
SPI の信号自体は問題無いことが判ったので元々のブレッドボードの環境で USB からの 5V 給電はやめて、安定化電源から 5V を給電するようにしました。更に TF カードの電源直下に 10uF のセラコンを追加しました（これが結構効果があったようです）
結果として TF カードの読み書きができるようになりました。
CMD0 と CMD8 の波形が下図で TF カードの出力である SDI の信号の電圧低下も発生していません。CMD0 の先頭からレスポンス直前までの SDI のハイレベルが若干低くなっていますが、TF 側がレスポンス出力直前までは SDI が High 出力状態（この時点では SPI モードになっていない）でレスポンス出力時にオープンコレクタの状態になるのではないかと推測しています。SDI はプルアップが必須なので今回は 4.7K でプルアップしています。尚、安定化電源の出力電流は 119mA 程度でした。
ロジアナで確認したライト時とリード時の波形も貼っておきます。初期化後にクロックを 400KHz から 2MHz に変更しています。
下図はブロックライト後にブロックリードした際のロジアナ波形です。
下図はライト時のコマンド（CMD24）の最初の部分の拡大波形です。
下図はブロックライト時のデータ送信部分のロジアナ波形です。
CMD17 でブロックリード時のデータ受信部分の拡大波形が下図になります。
最後に上記の PIC と TF カードだけの環境で 512MB と 128MB カードで実験を行った結果をメモしておきます。
初期化処理に関しては意外なことに従来通りの CMD0、CMD8、CMD55、CMD41、CMD58 を使った初期化も通りました。
試しに CMD0 と CMD1 での初期化もやってみましたがこれも通りました。CMD1 ではレスポンスが 0x00 になるまでリトライするようにしています。
ソフト的には CMD8 で無応答の場合は CMD1 で初期化するように追加しておきました。
CMD8 の応答は 128MB/256MB 共に 80 ff 80 00 で（8GB カードでは最初が 0xC0 ）、ネット情報によれば、最初のデータの 0x40 のビットは SDHC の時に立つ bit です。
ブロックリード／ライトに関して、128MB のカードではレスポンスが 0x20 （アドレスエラー）になり、CMD16 でブロックサイズを 512 に指定しても変化はありませんでした。
256MB のカードに関しては ブロックライトは OK でしたが ブロックリードは最初のみ OK で、ライト後のリードやリード後のリードではトークン応答が無い現象が発生し、今回は原因究明までは行っていません。
512MB カードでのロジアナ波形も貼っておきます。
★追記 2022/12/15
Hex ローダーで IPL をロードすることで CP/M の起動に成功しました。
使い回しのブレッドボードやジャンパーワイヤを使用していることもあり、配線に触ったりすると状態が変化してしまいます。
最近はプリント基板を安く作れるので、評価用のプリント基板を作るか悩み中です。
twitter に投稿した動画付きのコメントで CP/M 起動時の様子を動画で見れます。
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下図は初期化処理で最初に発行する CMD0 の波形例で、クロック周波数は 400KHz で 8GB の TF カードで試験しています。
各信号は、１（黄色）：SDCS/、２（水色）：SDCK、３（紫）：SDO、４（緑）：SDI です。
| CMD0 コマンドとその応答 |
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次に発行するコマンドの CMD8 も含めた波形が下図になります。
| CMD0 と CMD8 コマンドの波形 |
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TF の出力である SDI（緑）のレベルが段々低くなっているので USB から給電されている 5V からレギュレータで作っている 3.3V 電源の電圧が低下するようです。
今回は 20 ピンの PIC（PIC18F14K50）を使用し、I/O 数が少ないため I/O を兼用して制御していることもあり、TF エラーの原因を切り分けるために PIC と TF のみの構成で安定化電源からの 3.3V 給電で動く環境をブレッドボードで作成し確認して見ました。
その結果、TF のリードもライトも問題無く実行できたので SPI 関連の設定等は問題無さそうです。
SPI の信号自体は問題無いことが判ったので元々のブレッドボードの環境で USB からの 5V 給電はやめて、安定化電源から 5V を給電するようにしました。更に TF カードの電源直下に 10uF のセラコンを追加しました（これが結構効果があったようです）
結果として TF カードの読み書きができるようになりました。
CMD0 と CMD8 の波形が下図で TF カードの出力である SDI の信号の電圧低下も発生していません。CMD0 の先頭からレスポンス直前までの SDI のハイレベルが若干低くなっていますが、TF 側がレスポンス出力直前までは SDI が High 出力状態（この時点では SPI モードになっていない）でレスポンス出力時にオープンコレクタの状態になるのではないかと推測しています。SDI はプルアップが必須なので今回は 4.7K でプルアップしています。尚、安定化電源の出力電流は 119mA 程度でした。
| 安定化電源からの給電時の CMD0 と CMD8 コマンドの波形 |
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| CMD0 と CMD8 コマンドのロジアナ波形（サンプリング:32MHz） |
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ロジアナで確認したライト時とリード時の波形も貼っておきます。初期化後にクロックを 400KHz から 2MHz に変更しています。
下図はブロックライト後にブロックリードした際のロジアナ波形です。
| ブロックライト＆リード時のロジアナ波形例（サンプリング：32MHz） |
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下図はライト時のコマンド（CMD24）の最初の部分の拡大波形です。
| CMD24 の先頭部分のロジアナ波形例（サンプリング：32MHz） |
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下図はブロックライト時のデータ送信部分のロジアナ波形です。
| CMD24 でブロックライト時のデータ送信部分の拡大波形（サンプリング：32MHz） |
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CMD17 でブロックリード時のデータ受信部分の拡大波形が下図になります。
| CMD17 でブロックリード時のデータ受信部分の拡大波形（サンプリング：32MHz） |
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最後に上記の PIC と TF カードだけの環境で 512MB と 128MB カードで実験を行った結果をメモしておきます。
初期化処理に関しては意外なことに従来通りの CMD0、CMD8、CMD55、CMD41、CMD58 を使った初期化も通りました。
試しに CMD0 と CMD1 での初期化もやってみましたがこれも通りました。CMD1 ではレスポンスが 0x00 になるまでリトライするようにしています。
ソフト的には CMD8 で無応答の場合は CMD1 で初期化するように追加しておきました。
CMD8 の応答は 128MB/256MB 共に 80 ff 80 00 で（8GB カードでは最初が 0xC0 ）、ネット情報によれば、最初のデータの 0x40 のビットは SDHC の時に立つ bit です。
ブロックリード／ライトに関して、128MB のカードではレスポンスが 0x20 （アドレスエラー）になり、CMD16 でブロックサイズを 512 に指定しても変化はありませんでした。
256MB のカードに関しては ブロックライトは OK でしたが ブロックリードは最初のみ OK で、ライト後のリードやリード後のリードではトークン応答が無い現象が発生し、今回は原因究明までは行っていません。
512MB カードでのロジアナ波形も貼っておきます。
| 512MB カードでの CMD1 波形（サンプリング：32MHz） |
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| 512MB カードでの CMD24（ライト）波形（サンプリング：32MHz） |
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| 512MB カードでの CMD17（リード）の OK 時の波形（サンプリング：32MHz） |
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| 512MB カードでの CMD17（リード）の 無トークン時の波形（サンプリング：32MHz） |
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★追記 2022/12/15
Hex ローダーで IPL をロードすることで CP/M の起動に成功しました。
使い回しのブレッドボードやジャンパーワイヤを使用していることもあり、配線に触ったりすると状態が変化してしまいます。
最近はプリント基板を安く作れるので、評価用のプリント基板を作るか悩み中です。
twitter に投稿した動画付きのコメントで CP/M 起動時の様子を動画で見れます。
| CP/M 起動画面 |
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