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。
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。
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); }
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 }
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); }
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:
名称 |
域 |
数据宽度 |
单元类型 |
CSD划分 |
CSD结构 |
CSD_STRUCTURE |
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@VDD min |
VDD_R_CURR_MIN |
3 |
R |
[61:59] |
最大读取电流@VDD max |
VDD_R_CURR_MAX |
3 |
R |
[58:56] |
最大写电流@VDD min |
VDD_W_CURR_MIN |
3 |
R |
[55:53] |
最大写电流@VDD max |
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] & amp; 0x03; vinf->sector_count <<= 8; vinf->sector_count += sectorBuffer.dat[7]; vinf->sector_count <<= 2; vinf->sector_count += (sectorBuffer.dat[8] & amp; 0xc0) >> 6; // 获取multiplier vinf->sector_multiply = sectorBuffer.dat[9] & amp; 0x03; vinf->sector_multiply <<= 1; vinf->sector_multiply += (sectorBuffer.dat[10] & amp; 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;
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 & amp; 0xFF000000) >> 24 ); CMD[2] = ((sector & amp; 0x00FF0000) >> 16 ); CMD[3] = ((sector & amp; 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(); }
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 & amp; 0xFF000000) >> 24 ); CMD[2] = ((addr & amp; 0x00FF0000) >> 16 ); CMD[3] = ((addr & amp; 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 & amp; 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。