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[導讀]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、

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:

 

C程序

 

//-------------------------------------------------------------------------

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:

 

C程序

 

//----------------------------------------------------------

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:

 

C程序

 

//------------------------------------------------------------

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:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

名稱
數據寬度
單元類型
CSD劃分
CSD結構
CSD_STRUCTURE
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@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:

 

C程序

 

//-------------------------------------------------------------------

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:

 

C程序

 

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:

 

C程序

 

//-----------------------------------------------------------------

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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