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基于單片機的SD卡設計

 共同成長888 2014-05-08
基于單片機的SD卡設計

 

SD卡在現在的日常生活與工作中使用非常廣泛,時下已經成為最為通用的數據存儲卡。在諸如MP3、數碼相機等設備上也都采用SD卡作為其存儲設備。SD卡之所以得到如此廣泛的使用,是因為它價格低廉、存儲容量大、使用方便、通用性與安全性強等優(yōu)點。既然它有著這么多優(yōu)點,那么如果將它加入到單片機應用開發(fā)系統(tǒng)中來,將使系統(tǒng)變得更加出色。這就要求對SD卡的硬件與讀寫時序進行研究。對于SD卡的硬件結構,在官方的文檔上有很詳細的介紹,如SD卡內的存儲器結構、存儲單元組織方式等內容。要實現對它的讀寫,最核心的是它的時序,筆者在經過了實際的測試后,使用51單片機成功實現了對SD卡的扇區(qū)讀寫,并對其讀寫速度進行了評估。下面先來講解SD卡的讀寫時序。

(1) SD卡的引腳定義

SD卡引腳功能詳述:

引腳
編號
SD模式
SPI模式
名稱
類型
描述
名稱
類型
描述
1
CD/DAT3
IO或PP
卡檢測/
數據線3
#CS
I
片選
2
CMD
PP
命令/
回應
DI
I
數據輸入
3
VSS1
S
電源地
VSS
S
電源地
4
VDD
S
電源
VDD
S
電源
5
CLK
I
時鐘
SCLK
I
時鐘
6
VSS2
S
電源地
VSS2
S
電源地
7
DAT0
IO或PP
數據線0
DO
O或PP
數據輸出
8
DAT1
IO或PP
數據線1
RSV
9
DAT2
IO或PP
數據線2
RSV

注:S:電源供給 I:輸入 O:采用推拉驅動的輸出
PP:采用推拉驅動的輸入輸出

SD卡SPI模式下與單片機的連接圖:

SD卡支持兩種總線方式:SD方式與SPI方式。其中SD方式采用6線制,使用CLK、CMD、DAT0~DAT3進行數據通信。而SPI方式采用4線制,使用CS、CLK、DataIn、DataOut進行數據通信。SD方式時的數據傳輸速度與SPI方式要快,采用單片機對SD卡進行讀寫時一般都采用SPI模式。采用不同的初始化方式可以使SD卡工作于SD方式或SPI方式。這里只對其SPI方式進行介紹。

(2) SPI方式驅動SD卡的方法
SD卡的SPI通信接口使其可以通過SPI通道進行數據讀寫。從應用的角度來看,采用SPI接口的好處在于,很多單片機內部自帶SPI控制器,不光給開發(fā)上帶來方便,同時也見降低了開發(fā)成本。然而,它也有不好的地方,如失去了SD卡的性能優(yōu)勢,要解決這一問題,就要用SD方式,因為它提供更大的總線數據帶寬。SPI接口的選用是在上電初始時向其寫入第一個命令時進行的。以下介紹SD卡的驅動方法,只實現簡單的扇區(qū)讀寫。
1) 命令與數據傳輸
1. 命令傳輸
SD卡自身有完備的命令系統(tǒng),以實現各項操作。命令格式如下:

命令的傳輸過程采用發(fā)送應答機制,過程如下:

每一個命令都有自己命令應答格式。在SPI模式中定義了三種應答格式,如下表所示:

字節(jié)
含義
1
7
開始位,始終為0
6
參數錯誤
5
地址錯誤
4
擦除序列錯誤
3
CRC錯誤
2
非法命令
1
擦除復位
0
閑置狀態(tài)

字節(jié)
含義
1
7
開始位,始終為0
6
參數錯誤
5
地址錯誤
4
擦除序列錯誤
3
CRC錯誤
2
非法命令
1
擦除復位
0
閑置狀態(tài)
2
7
溢出,CSD覆蓋
6
擦除參數
5
寫保護非法
4
卡ECC失敗
3
卡控制器錯誤
2
未知錯誤
1
寫保護擦除跳過,鎖/解鎖失敗
0
鎖卡

字節(jié)
含義
1
7
開始位,始終為0
6
參數錯誤
5
地址錯誤
4
擦除序列錯誤
3
CRC錯誤
2
非法命令
1
擦除復位
0
閑置狀態(tài)
2~5
全部
操作條件寄存器,高位在前


寫命令的例程:
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
向SD卡中寫入命令,并返回回應的第二個字節(jié)
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
unsigned char Write_Command_SD(unsigned char *CMD)
{
unsigned char tmp;
unsigned char retry=0;
unsigned char i;

//禁止SD卡片選
SPI_CS=1;
//發(fā)送8個時鐘信號
Write_Byte_SD(0xFF);
//使能SD卡片選
SPI_CS=0;

//向SD卡發(fā)送6字節(jié)命令
for (i=0;i<0x06;i++)
{

Write_Byte_SD(*CMD++);
}

//獲得16位的回應
Read_Byte_SD(); //read the first byte,ignore it.

do

{ //讀取后8位
tmp = Read_Byte_SD();
retry++;
}
while((tmp==0xff)&&(retry<100));

return(tmp);
}

2) 初始化
SD卡的初始化是非常重要的,只有進行了正確的初始化,才能進行后面的各項操作。在初始化過程中,SPI的時鐘不能太快,否則會造初始化失敗。在初始化成功后,應盡量提高SPI的速率。在剛開始要先發(fā)送至少74個時鐘信號,這是必須的。在很多讀者的實驗中,很多是因為疏忽了這一點,而使初始化不成功。隨后就是寫入兩個命令CMD0與CMD1,使SD卡進入SPI模式
初始化時序圖:


初始化例程:
//--------------------------------------------------------------------------
初始化SD卡到SPI模式
//--------------------------------------------------------------------------
unsigned char SD_Init()
{
unsigned char retry,temp;
unsigned char i;
unsigned char CMD[] = {0x40,0x00,0x00,0x00,0x00,0x95};
SD_Port_Init(); //初始化驅動端口

Init_Flag=1; //將初始化標志置1

for (i=0;i<0x0f;i++)
{
Write_Byte_SD(0xff); //發(fā)送至少74個時鐘信號
}

//向SD卡發(fā)送CMD0
retry=0;
do
{ //為了能夠成功寫入CMD0,在這里寫200次
temp=Write_Command_SD(CMD);
retry++;
if(retry==200)

{ //超過200次
return(INIT_CMD0_ERROR);//CMD0 Error!
}
}

while(temp!=1); //回應01h,停止寫入

//發(fā)送CMD1到SD卡
CMD[0] = 0x41; //CMD1
CMD[5] = 0xFF;
retry=0;
do
{ //為了能成功寫入CMD1,寫100次
temp=Write_Command_SD(CMD);
retry++;
if(retry==100)

{ //超過100次
return(INIT_CMD1_ERROR);//CMD1 Error!
}
}

while(temp!=0);//回應00h停止寫入

Init_Flag=0; //初始化完畢,初始化標志清零

SPI_CS=1; //片選無效
return(0); //初始化成功
}

3) 讀取CID
CID寄存器存儲了SD卡的標識碼。每一個卡都有唯一的標識碼。
CID寄存器長度為128位。它的寄存器結構如下:

名稱
數據寬度
CID劃分
生產標識號
MID
8
[127:120]
OEM/應用標識
OID
16
[119:104]
產品名稱
PNM
40
[103:64]
產品版本
PRV
8
[63:56]
產品序列號
PSN
32
[55:24]
保留
4
[23:20]
生產日期
MDT
12
[19:8]
CRC7校驗合
CRC
7
[7:1]
未使用,始終為1
1
[0:0]

它的讀取時序如下:

與此時序相對應的程序如下:
//------------------------------------------------------------------------------------
讀取SD卡的CID寄存器 16字節(jié) 成功返回0
//-------------------------------------------------------------------------------------
unsigned char Read_CID_SD(unsigned char *Buffer)
{
//讀取CID寄存器的命令
unsigned char CMD[] = {0x4A,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};
unsigned char temp;
temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16); //read 16 bytes
return(temp);
}

4)讀取CSD
CSD(Card-Specific Data)寄存器提供了讀寫SD卡的一些信息。其中的一些單元可以由用戶重新編程。具體的CSD結構如下:

CSD_STRUCTURE
名稱
數據寬度
單元類型
CSD劃分
CSD結構
2
R
[127:126]
保留
-
6
R
[125:120]
數據讀取時間1
TAAC
8
R
[119:112]
數據在CLK周期內讀取時間2(NSAC*100)
NSAC
8
R
[111:104]
最大數據傳輸率
TRAN_SPEED
8
R
[103:96]
卡命令集合
CCC
12
R
[95:84]
最大讀取數據塊長
READ_BL_LEN
4
R
[83:80]
允許讀的部分塊
READ_BL_PARTIAL
1
R
[79:79]
非線寫塊
WRITE_BLK_MISALIGN
1
R
[78:78]
非線讀塊
READ_BLK_MISALIGN
1
R
[77:77]
DSR條件
DSR_IMP
1
R
[76:76]
保留
-
2
R
[75:74]
設備容量
C_SIZE
12
R
[73:62]
最大讀取電流@VDDmin
VDD_R_CURR_MIN
3
R
[61:59]
最大讀取電流@VDDmax
VDD_R_CURR_MAX
3
R
[58:56]
最大寫電流@VDDmin
VDD_W_CURR_MIN
3
R
[55:53]
最大寫電流@VDDmax
VDD_W_CURR_MAX
3
R
[52:50]
設備容量乘子
C_SIZE_MULT
3
R
[49:47]
擦除單塊使能
ERASE_BLK_EN
1
R
[46:46]
擦除扇區(qū)大小
SECTOR_SIZE
7
R
[45:39]
寫保護群大小
WP_GRP_SIZE
7
R
[38:32]
寫保護群使能
WP_GRP_ENABLE
1
R
[31:31]
保留
-
2
R
[30:29]
寫速度因子
R2W_FACTOR
3
R
[28:26]
最大寫數據塊長度
WRITE_BL_LEN
4
R
[25:22]
允許寫的部分部
WRITE_BL_PARTIAL
1
R
[21:21]
保留
-
5
R
[20:16]
文件系統(tǒng)群
FILE_OFRMAT_GRP
1
R/W
[15:15]
拷貝標志
COPY
1
R/W
[14:14]
永久寫保護
PERM_WRITE_PROTECT
1
R/W
[13:13]
暫時寫保護
TMP_WRITE_PROTECT
1
R/W
[12:12]
文件系統(tǒng)
FIL_FORMAT
2
R/W
[11:10]
保留
-
2
R/W
[9:8]
CRC
CRC
7
R/W
[7:1]
未用,始終為1
-
1
[0:0]

讀取CSD 的時序:

相應的程序例程如下:
//-----------------------------------------------------------------------------------------
讀SD卡的CSD寄存器 共16字節(jié) 返回0說明讀取成功
//-----------------------------------------------------------------------------------------
unsigned char Read_CSD_SD(unsigned char *Buffer)
{
//讀取CSD寄存器的命令
unsigned char CMD[] = {0x49,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};
unsigned char temp;
temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16); //read 16 bytes
return(temp);
}


4) 讀取SD卡信息
綜合上面對CID與CSD寄存器的讀取,可以知道很多關于SD卡的信息,以下程序可以獲取這些信息。如下:
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
//返回
// SD卡的容量,單位為M
// sector count and multiplier MB are in
u08 == C_SIZE / (2^(9-C_SIZE_MULT))
// SD卡的名稱
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
void SD_get_volume_info()
{

unsigned char i;
unsigned char c_temp[5];
VOLUME_INFO_TYPE SD_volume_Info,*vinf;
vinf=&SD_volume_Info; //Init the pointoer;
/讀取CSD寄存器
Read_CSD_SD(sectorBuffer.dat);
//獲取總扇區(qū)數
vinf->sector_count = sectorBuffer.dat[6] & 0x03;
vinf->sector_count <<= 8;
vinf->sector_count += sectorBuffer.dat[7];
vinf->sector_count <<= 2;
vinf->sector_count += (sectorBuffer.dat[8] & 0xc0) >> 6;
// 獲取multiplier
vinf->sector_multiply = sectorBuffer.dat[9] & 0x03;
vinf->sector_multiply <<= 1;
vinf->sector_multiply += (sectorBuffer.dat[10] & 0x80) >> 7;
//獲取SD卡的容量
vinf->size_MB = vinf->sector_count >> (9-vinf->sector_multiply);
// get the name of the card
Read_CID_SD(sectorBuffer.dat);
vinf->name[0] = sectorBuffer.dat[3];
vinf->name[1] = sectorBuffer.dat[4];
vinf->name[2] = sectorBuffer.dat[5];
vinf->name[3] = sectorBuffer.dat[6];
vinf->name[4] = sectorBuffer.dat[7];
vinf->name[5] = 0x00; //end flag
}
以上程序將信息裝載到一個結構體中,這個結構體的定義如下:
typedef struct SD_VOLUME_INFO
{ //SD/SD Card info
unsigned int size_MB;
unsigned char sector_multiply;
unsigned int sector_count;
unsigned char name[6];
} VOLUME_INFO_TYPE;

5) 扇區(qū)讀
扇區(qū)讀是對SD卡驅動的目的之一。SD卡的每一個扇區(qū)中有512個字節(jié),一次扇區(qū)讀操作將把某一個扇區(qū)內的512個字節(jié)全部讀出。過程很簡單,先寫入命令,在得到相應的回應后,開始數據讀取。
扇區(qū)讀的時序:

扇區(qū)讀的程序例程:
unsigned char SD_Read_Sector(unsigned long sector,unsigned char *buffer)
{
unsigned char retry;
//命令16
unsigned char CMD[] = {0x51,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};

unsigned char temp;

//地址變換 由邏輯塊地址轉為字節(jié)地址
sector = sector << 9; //sector = sector * 512

CMD[1] = ((sector & 0xFF000000) >>24 );
CMD[2] = ((sector & 0x00FF0000) >>16 );
CMD[3] = ((sector & 0x0000FF00) >>8 );

//將命令16寫入SD卡
retry=0;
do
{ //為了保證寫入命令 一共寫100次
temp=Write_Command_MMC(CMD);
retry++;
if(retry==100)
{
return(READ_BLOCK_ERROR); //block write Error!
}
}
while(temp!=0);


//Read Start Byte form MMC/SD-Card (FEh/Start Byte)
//Now data is ready,you can read it out.
while (Read_Byte_MMC() != 0xfe);
readPos=0;
SD_get_data(512,buffer) ; //512字節(jié)被讀出到buffer中
return 0;
}
其中SD_get_data函數如下:
//----------------------------------------------------------------------------
獲取數據到buffer中
//----------------------------------------------------------------------------
void SD_get_data(unsigned int Bytes,unsigned char *buffer)

{
unsigned int j;
for (j=0;j<Bytes;j++)
*buffer++ = Read_Byte_SD();
}

6) 扇區(qū)寫
扇區(qū)寫是SD卡驅動的另一目的。每次扇區(qū)寫操作將向SD卡的某個扇區(qū)中寫入512個字節(jié)。過程與扇區(qū)讀相似,只是數據的方向相反與寫入命令不同而已。
扇區(qū)寫的時序:

扇區(qū)寫的程序例程:
//--------------------------------------------------------------------------------------------
寫512個字節(jié)到SD卡的某一個扇區(qū)中去 返回0說明寫入成功
//--------------------------------------------------------------------------------------------
unsigned char SD_write_sector(unsigned long addr,unsigned char *Buffer)
{
unsigned char tmp,retry;
unsigned int i;
//命令24
unsigned char CMD[] = {0x58,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};

addr = addr << 9; //addr = addr * 512

CMD[1] = ((addr & 0xFF000000) >>24 );
CMD[2] = ((addr & 0x00FF0000) >>16 );
CMD[3] = ((addr & 0x0000FF00) >>8 );

//寫命令24到SD卡中去
retry=0;
do
{ //為了可靠寫入,寫100次
tmp=Write_Command_SD(CMD);
retry++;
if(retry==100)
{

return(tmp); //send commamd Error!
}
}
while(tmp!=0);

//在寫之前先產生100個時鐘信號
for (i=0;i<100;i++)
{
Read_Byte_SD();
}

//寫入開始字節(jié)
Write_Byte_MMC(0xFE);

//現在可以寫入512個字節(jié)
for (i=0;i<512;i++)
{
Write_Byte_MMC(*Buffer++);
}

//CRC-Byte
Write_Byte_MMC(0xFF); //Dummy CRC
Write_Byte_MMC(0xFF); //CRC Code


tmp=Read_Byte_MMC(); // read response
if((tmp & 0x1F)!=0x05) // 寫入的512個字節(jié)是未被接受
{
SPI_CS=1;
return(WRITE_BLOCK_ERROR); //Error!
}
//等到SD卡不忙為止
//因為數據被接受后,SD卡在向儲存陣列中編程數據
while (Read_Byte_MMC()!=0xff){};

//禁止SD卡
SPI_CS=1;
return(0);//寫入成功
}
此上內容在筆者的實驗中都已調試通過。單片機采用STC89LE單片機(SD卡的初始化電壓為2.0V~3.6V,操作電壓為3.1V~3.5V,因此不能用5V單片機,或進行分壓處理),工作于22.1184M的時鐘下,由于所采用的單片機中沒硬件SPI,采用軟件模擬SPI,因此讀寫速率都較慢。如果要半SD卡應用于音頻、視頻等要求高速場合,則需要選用有硬件SPI的控制器,或使用SD模式,當然這就需要各位讀者對SD模式加以研究,有了SPI模式的基礎,SD模式應該不是什么難事。


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