基于单片机的ＳＤ卡设计

基于单片机的ＳＤ卡设计

 

SD卡在现在的日常生活与工作中使用非常广泛，时下已经成为最为通用的数据存储卡。在诸如MP3、数码相机等设备上也都采用SD卡作为其存储设备。SD卡之所以得到如此广泛的使用，是因为它价格低廉、存储容量大、使用方便、通用性与安全性强等优点。既然它有着这么多优点，那么如果将它加入到单片机应用开发系统中来，将使系统变得更加出色。这就要求对SD卡的硬件与读写时序进行研究。对于SD卡的硬件结构，在官方的文档上有很详细的介绍，如SD卡内的存储器结构、存储单元组织方式等内容。要实现对它的读写，最核心的是它的时序，笔者在经过了实际的测试后，使用51单片机成功实现了对SD卡的扇区读写，并对其读写速度进行了评估。下面先来讲解SD卡的读写时序。

（1） SD卡的引脚定义：

SD卡引脚功能详述：

引脚 编号	SD模式			SPI模式
	名称	类型	描述	名称	类型	描述
1	CD/DAT3	IO或PP	卡检测/ 数据线3	#CS	I	片选
2	CMD	PP	命令/ 回应	DI	I	数据输入
3	VSS1	S	电源地	VSS	S	电源地
4	VDD	S	电源	VDD	S	电源
5	CLK	I	时钟	SCLK	I	时钟
6	VSS2	S	电源地	VSS2	S	电源地
7	DAT0	IO或PP	数据线0	DO	O或PP	数据输出
8	DAT1	IO或PP	数据线1	RSV
9	DAT2	IO或PP	数据线2	RSV

注：S：电源供给 I：输入 O：采用推拉驱动的输出
PP：采用推拉驱动的输入输出

SD卡SPI模式下与单片机的连接图：

SD卡支持两种总线方式：SD方式与SPI方式。其中SD方式采用6线制，使用CLK、CMD、DAT0~DAT3进行数据通信。而SPI方式采用4线制，使用CS、CLK、DataIn、DataOut进行数据通信。SD方式时的数据传输速度与SPI方式要快，采用单片机对SD卡进行读写时一般都采用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。这里只对其SPI方式进行介绍。

（2） SPI方式驱动SD卡的方法
SD卡的SPI通信接口使其可以通过SPI通道进行数据读写。从应用的角度来看，采用SPI接口的好处在于，很多单片机内部自带SPI控制器，不光给开发上带来方便，同时也见降低了开发成本。然而，它也有不好的地方，如失去了SD卡的性能优势，要解决这一问题，就要用SD方式，因为它提供更大的总线数据带宽。SPI接口的选用是在上电初始时向其写入第一个命令时进行的。以下介绍SD卡的驱动方法，只实现简单的扇区读写。
1） 命令与数据传输
1. 命令传输
SD卡自身有完备的命令系统，以实现各项操作。命令格式如下：

命令的传输过程采用发送应答机制，过程如下：

每一个命令都有自己命令应答格式。在SPI模式中定义了三种应答格式，如下表所示：

字节	位	含义
1	7	开始位，始终为0
	6	参数错误
	5	地址错误
	4	擦除序列错误
	3	CRC错误
	2	非法命令
	1	擦除复位
	0	闲置状态

字节	位	含义
1	7	开始位，始终为0
	6	参数错误
	5	地址错误
	4	擦除序列错误
	3	CRC错误
	2	非法命令
	1	擦除复位
	0	闲置状态
2	7	溢出，CSD覆盖
	6	擦除参数
	5	写保护非法
	4	卡ECC失败
	3	卡控制器错误
	2	未知错误
	1	写保护擦除跳过，锁／解锁失败
	0	锁卡

字节	位	含义
1	7	开始位，始终为0
	6	参数错误
	5	地址错误
	4	擦除序列错误
	3	CRC错误
	2	非法命令
	1	擦除复位
	0	闲置状态
2～5	全部	操作条件寄存器，高位在前

写命令的例程：
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
向SD卡中写入命令，并返回回应的第二个字节
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
unsigned char Write_Command_SD(unsigned char *CMD)
{
unsigned char tmp;
unsigned char retry=0;
unsigned char i;

//禁止SD卡片选
SPI_CS=1;
//发送8个时钟信号
Write_Byte_SD(0xFF);
//使能SD卡片选
SPI_CS=0;

//向SD卡发送6字节命令
for (i=0;i<0x06;i++)
{
Write_Byte_SD(*CMD++);
}

//获得16位的回应
Read_Byte_SD(); //read the first byte,ignore it.
do
{ //读取后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，只有进行了正确的初始化，才能进行后面的各项操作。在初始化过程中，SPI的时钟不能太快，否则会造初始化失败。在初始化成功后，应尽量提高SPI的速率。在刚开始要先发送至少74个时钟信号，这是必须的。在很多读者的实验中，很多是因为疏忽了这一点，而使初始化不成功。随后就是写入两个命令CMD0与CMD1，使SD卡进入SPI模式
初始化时序图：


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(); //初始化驱动端口

Init_Flag=1; //将初始化标志置1

for (i=0;i<0x0f;i++)
{
Write_Byte_SD(0xff); //发送至少74个时钟信号
}

//向SD卡发送CMD0
retry=0;
do
{ //为了能够成功写入CMD0,在这里写200次
temp=Write_Command_SD(CMD);
retry++;
if(retry==200)
{ //超过200次
return(INIT_CMD0_ERROR);//CMD0 Error!
}
}
while(temp!=1); //回应01h，停止写入

//发送CMD1到SD卡
CMD[0] = 0x41; //CMD1
CMD[5] = 0xFF;
retry=0;
do
{ //为了能成功写入CMD1,写100次
temp=Write_Command_SD(CMD);
retry++;
if(retry==100)
{ //超过100次
return(INIT_CMD1_ERROR);//CMD1 Error!
}
}
while(temp!=0);//回应00h停止写入

Init_Flag=0; //初始化完毕，初始化标志清零

SPI_CS=1; //片选无效
return(0); //初始化成功
}

3） 读取CID
CID寄存器存储了SD卡的标识码。每一个卡都有唯一的标识码。
CID寄存器长度为128位。它的寄存器结构如下：

名称	域	数据宽度	CID划分
生产标识号	MID	8	[127:120]
OEM/应用标识	OID	16	[119:104]
产品名称	PNM	40	[103:64]
产品版本	PRV	8	[63:56]
产品序列号	PSN	32	[55:24]
保留	－	4	[23:20]
生产日期	MDT	12	[19:8]
CRC7校验合	CRC	7	[7:1]
未使用，始终为1	－	1	[0:0]

它的读取时序如下：

与此时序相对应的程序如下：
//------------------------------------------------------------------------------------
读取SD卡的CID寄存器 16字节 成功返回0
//-------------------------------------------------------------------------------------
unsigned char Read_CID_SD(unsigned char *Buffer)
{
//读取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）读取CSD
CSD（Card-Specific Data）寄存器提供了读写SD卡的一些信息。其中的一些单元可以由用户重新编程。具体的CSD结构如下：

CSD_STRUCTURE

名称	域	数据宽度	单元类型	CSD划分
CSD结构	2	R	[127:126]
保留	-	6	R	[125:120]
数据读取时间1	TAAC	8	R	[119:112]
数据在CLK周期内读取时间2（NSAC*100）	NSAC	8	R	[111:104]
最大数据传输率	TRAN_SPEED	8	R	[103:96]
卡命令集合	CCC	12	R	[95:84]
最大读取数据块长	READ_BL_LEN	4	R	[83:80]
允许读的部分块	READ_BL_PARTIAL	1	R	[79:79]
非线写块	WRITE_BLK_MISALIGN	1	R	[78:78]
非线读块	READ_BLK_MISALIGN	1	R	[77:77]
DSR条件	DSR_IMP	1	R	[76:76]
保留	-	2	R	[75:74]
设备容量	C_SIZE	12	R	[73:62]
最大读取电流@VDDmin	VDD_R_CURR_MIN	3	R	[61:59]
最大读取电流@VDDmax	VDD_R_CURR_MAX	3	R	[58:56]
最大写电流@VDDmin	VDD_W_CURR_MIN	3	R	[55:53]
最大写电流@VDDmax	VDD_W_CURR_MAX	3	R	[52:50]
设备容量乘子	C_SIZE_MULT	3	R	[49:47]
擦除单块使能	ERASE_BLK_EN	1	R	[46:46]
擦除扇区大小	SECTOR_SIZE	7	R	[45:39]
写保护群大小	WP_GRP_SIZE	7	R	[38:32]
写保护群使能	WP_GRP_ENABLE	1	R	[31:31]
保留	-	2	R	[30:29]
写速度因子	R2W_FACTOR	3	R	[28:26]
最大写数据块长度	WRITE_BL_LEN	4	R	[25:22]
允许写的部分部	WRITE_BL_PARTIAL	1	R	[21:21]
保留	-	5	R	[20:16]
文件系统群	FILE_OFRMAT_GRP	1	R/W	[15:15]
拷贝标志	COPY	1	R/W	[14:14]
永久写保护	PERM_WRITE_PROTECT	1	R/W	[13:13]
暂时写保护	TMP_WRITE_PROTECT	1	R/W	[12:12]
文件系统	FIL_FORMAT	2	R/W	[11:10]
保留	-	2	R/W	[9:8]
CRC	CRC	7	R/W	[7:1]
未用，始终为1	-	1		[0:0]

读取CSD 的时序：

相应的程序例程如下：
//-----------------------------------------------------------------------------------------
读SD卡的CSD寄存器 共16字节 返回0说明读取成功
//-----------------------------------------------------------------------------------------
unsigned char Read_CSD_SD(unsigned char *Buffer)
{
//读取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） 读取SD卡信息
综合上面对CID与CSD寄存器的读取，可以知道很多关于SD卡的信息，以下程序可以获取这些信息。如下：
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
//返回
// SD卡的容量，单位为M
// sector count and multiplier MB are in
u08 == C_SIZE / (2^(9-C_SIZE_MULT))
// SD卡的名称
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
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;
/读取CSD寄存器
Read_CSD_SD(sectorBuffer.dat);
//获取总扇区数
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;
// 获取multiplier
vinf->sector_multiply = sectorBuffer.dat[9] & 0x03;
vinf->sector_multiply <<= 1;
vinf->sector_multiply += (sectorBuffer.dat[10] & 0x80) >> 7;
//获取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
}
以上程序将信息装载到一个结构体中，这个结构体的定义如下：
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） 扇区读
扇区读是对SD卡驱动的目的之一。SD卡的每一个扇区中有512个字节，一次扇区读操作将把某一个扇区内的512个字节全部读出。过程很简单，先写入命令，在得到相应的回应后，开始数据读取。
扇区读的时序：

扇区读的程序例程：
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;

//地址变换 由逻辑块地址转为字节地址
sector = sector << 9; //sector = sector * 512

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

//将命令16写入SD卡
retry=0;
do
{ //为了保证写入命令 一共写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字节被读出到buffer中
return 0;
}
其中SD_get_data函数如下：
//----------------------------------------------------------------------------
获取数据到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） 扇区写
扇区写是SD卡驱动的另一目的。每次扇区写操作将向SD卡的某个扇区中写入512个字节。过程与扇区读相似，只是数据的方向相反与写入命令不同而已。
扇区写的时序：

扇区写的程序例程：
//--------------------------------------------------------------------------------------------
写512个字节到SD卡的某一个扇区中去 返回0说明写入成功
//--------------------------------------------------------------------------------------------
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 );

//写命令24到SD卡中去
retry=0;
do
{ //为了可靠写入，写100次
tmp=Write_Command_SD(CMD);
retry++;
if(retry==100)
{
return(tmp); //send commamd Error!
}
}
while(tmp!=0);

//在写之前先产生100个时钟信号
for (i=0;i<100;i++)
{
Read_Byte_SD();
}

//写入开始字节
Write_Byte_MMC(0xFE);

//现在可以写入512个字节
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) // 写入的512个字节是未被接受
{
SPI_CS=1;
return(WRITE_BLOCK_ERROR); //Error!
}
//等到SD卡不忙为止
//因为数据被接受后，SD卡在向储存阵列中编程数据
while (Read_Byte_MMC()!=0xff){};

//禁止SD卡
SPI_CS=1;
return(0);//写入成功
}
此上内容在笔者的实验中都已调试通过。单片机采用STC89LE单片机（SD卡的初始化电压为2.0V~3.6V，操作电压为3.1V~3.5V，因此不能用5V单片机，或进行分压处理），工作于22.1184M的时钟下，由于所采用的单片机中没硬件SPI，采用软件模拟SPI，因此读写速率都较慢。如果要半SD卡应用于音频、视频等要求高速场合，则需要选用有硬件SPI的控制器，或使用SD模式，当然这就需要各位读者对SD模式加以研究，有了SPI模式的基础，SD模式应该不是什么难事。