SD卡在单片机上的应用
2012-09-23
标签: SD卡

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
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
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
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
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:

名称
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;


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 & 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();
}


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 & 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。

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