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標(biāo)題: SD卡在單片機(jī)上的應(yīng)用 [打印本頁]

作者: h333 時間: 2013-6-30 03:00
標(biāo)題: SD卡在單片機(jī)上的應(yīng)用
SD卡在現(xiàn)在的日常生活與工作中使用非常廣泛，時下已經(jīng)成為最為通用的數(shù)據(jù)存儲卡。在諸如MP3、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備上也都采用SD卡作為其存儲設(shè)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。既然它有著這么多優(yōu)點(diǎn)，那么如果將它加入到單片機(jī)應(yīng)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(jìn)行研究。對于SD卡的硬件結(jié)構(gòu)，在官方的文檔上有很詳細(xì)的介紹，如SD卡內(nèi)的存儲器結(jié)構(gòu)、存儲單元組織方式等內(nèi)容。要實現(xiàn)對它的讀寫，最核心的是它的時序，筆者在經(jīng)過了實際的測試后，使用51單片機(jī)成功實現(xiàn)了對SD卡的扇區(qū)讀寫，并對其讀寫速度進(jìn)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
引腳編號	名稱	類型	描述	名稱	類型	描述
1	CD/DAT3	IO或PP	卡檢測/ 數(shù)據(jù)線3	#CS	I	片選
2	CMD	PP	命令/ 回應(yīng)	DI	I	數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)線0	DO	O或PP	數(shù)據(jù)輸出
8	DAT1	IO或PP	數(shù)據(jù)線1	RSV
9	DAT2	IO或PP	數(shù)據(jù)線2	RSV

注：S：電源供給 I：輸入 O：采用推拉驅(qū)動的輸出
PP：采用推拉驅(qū)動的輸入輸出
SD卡SPI模式下與單片機(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信。而SPI方式采用4線制，使用CS、CLK、DataIn、DataOut進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。SD方式時的數(shù)據(jù)傳輸速度與SPI方式要快，采用單片機(jī)對SD卡進(jìn)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(jìn)行介紹。
（2） SPI方式驅(qū)動SD卡的方法
SD卡的SPI通信接口使其可以通過SPI通道進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。從應(yīng)用的角度來看，采用SPI接口的好處在于，很多單片機(jī)內(nèi)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(shù)據(jù)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(jìn)行的。以下介紹SD卡的驅(qū)動方法，只實現(xiàn)簡單的扇區(qū)讀寫。
1）命令與數(shù)據(jù)傳輸
1. 命令傳輸
SD卡自身有完備的命令系統(tǒng)，以實現(xiàn)各項操作。命令格式如下：

命令的傳輸過程采用發(fā)送應(yīng)答機(jī)制，過程如下：

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

字節(jié)	位	含義
1	7	開始位，始終為0
	6	參數(shù)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(fù)位
	0	閑置狀態(tài)

字節(jié)	位	含義
1	7	開始位，始終為0
	6	參數(shù)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(fù)位
	0	閑置狀態(tài)
2	7	溢出，CSD覆蓋
	6	擦除參數(shù)
	5	寫保護(hù)非法
	4	卡ECC失敗
	3	卡控制器錯誤
	2	未知錯誤
	1	寫保護(hù)擦除跳過，鎖／解鎖失敗
	0	鎖卡

字節(jié)	位	含義
1	7	開始位，始終為0
	6	參數(shù)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(fù)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(yīng)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(yīng)
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(jìn)行了正確的初始化，才能進(jìn)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(yīng)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(diǎn)，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(jìn)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(qū)動端口

Init_Flag=1; //將初始化標(biāo)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(yīng)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(yīng)00h停止寫入

Init_Flag=0; //初始化完畢，初始化標(biāo)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(biāo)識碼。每一個卡都有唯一的標(biāo)識碼。
CID寄存器長度為128位。它的寄存器結(jié)構(gòu)如下：

名稱	域	數(shù)據(jù)寬度	CID劃分
生產(chǎn)標(biāo)識號	MID	8	[127:120]
OEM/應(yīng)用標(biāo)識	OID	16	[119:104]
產(chǎn)品名稱	PNM	40	[103:64]
產(chǎn)品版本	PRV	8	[63:56]
產(chǎn)品序列號	PSN	32	[55:24]
保留	－	4	[23:20]
生產(chǎn)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(yīng)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(jié)構(gòu)如下：

名稱	域	數(shù)據(jù)寬度	單元類型	CSD劃分
CSD結(jié)構(gòu)	CSD_STRUCTURE	2	R	[127:126]
保留	-	6	R	[125:120]
數(shù)據(jù)讀取時間1	TAAC	8	R	[119:112]
數(shù)據(jù)在CLK周期內(nèi)讀取時間2（NSAC*100）	NSAC	8	R	[111:104]
最大數(shù)據(jù)傳輸率	TRAN_SPEED	8	R	[103:96]
卡命令集合	CCC	12	R	[95:84]
最大讀取數(shù)據(jù)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(shè)備容量	C_SIZE	12	R	[73:62]
最大讀取電流@VDD min	VDD_R_CURR_MIN	3	R	[61:59]
最大讀取電流@VDD max	VDD_R_CURR_MAX	3	R	[58:56]
最大寫電流@VDD min	VDD_W_CURR_MIN	3	R	[55:53]
最大寫電流@VDD max	VDD_W_CURR_MAX	3	R	[52:50]
設(shè)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(hù)群大小	WP_GRP_SIZE	7	R	[38:32]
寫保護(hù)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(shù)據(jù)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(biāo)志	COPY	1	R/W	[14:14]
永久寫保護(hù)	PERM_WRITE_PROTECT	1	R/W	[13:13]
暫時寫保護(hù)	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(yīng)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(guān)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(shù)
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?qū)⑿畔⒀b載到一個結(jié)構(gòu)體中，這個結(jié)構(gòu)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(qū)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(nèi)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(yīng)的回應(yīng)后，開始數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(shù)如下：
//----------------------------------------------------------------------------
獲取數(shù)據(jù)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(qū)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(shù)據(jù)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(chǎn)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(xiàn)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(shù)據(jù)被接受后，SD卡在向儲存陣列中編程數(shù)據(jù)
while (Read_Byte_MMC()!=0xff){};

//禁止SD卡
SPI_CS=1;
return(0);//寫入成功
}
此上內(nèi)容在筆者的實驗中都已調(diào)試通過。單片機(jī)采用STC89LE單片機(jī)（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(jī)，或進(jìn)行分壓處理），工作于22.1184M的時鐘下，由于所采用的單片機(jī)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(yīng)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(dāng)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(chǔ)，SD模式應(yīng)該不是什么難事。

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