1 SD卡相關規(guī)范簡介
    SD聯(lián)盟在2000年聯(lián)合發(fā)布了SD卡規(guī)范1．O版本，包括3個部分：物理層規(guī)范，文件系統(tǒng)規(guī)范以及安全規(guī)范。SD卡規(guī)范V1．0采用FAT的文件系統(tǒng)，因此最大存儲容量可以達到2 GB。2006年，SD卡規(guī)范V2．0發(fā)布。新規(guī)范根據容量定義了兩種卡，即標準容量SD卡和大容量SD卡。前者和1．O版本保持兼容，后者由于采用了FAT32文件系統(tǒng)，存儲容量突破了2 GB的限制。新規(guī)范定義的最大容量為32 GB。但是由于成本的原因，標準容量SD卡仍然是市場的主流產品。在以微控制器為核心的嵌入式系統(tǒng)中，主要使用SD卡的SPI。模式進行通信，這使得標準容量的SD卡更為合適。本設計適用于2GB以下任意容量的SD卡。
1．1 概 述
    SD存儲卡在2．7～3．6 V電壓下正常工作，工作頻率為0～25MHz。圖1是普通SD卡的外形和引腳排列。在SPI模式時，第8和第9腳不使用。表1列出了各引腳在SPI模式時的定義和功能描述。

    圖中的WP是一個機械滑片，通過滑動到不同的位置來對SD卡進行寫保護。
    SD卡內部有6個和接口相關的寄存器：OCR、CID、CSD、RCA、DSR和SCR。它們只能通過各自對應的指令來訪問。OCR、CID、CSD和SCR攜帶SD卡的規(guī)范信息，RCA和DSR作為配置寄存器裝載了SD卡的配置參數(shù)。
1．2 SPI協(xié)議
    系統(tǒng)上電之后，如果主機在將CS線聲明為低電平的同時發(fā)送復位指令(CMDO)，則SPI模式啟用。SD卡在SPI模式下按字節(jié)進行通信，每一個指令和數(shù)據塊都由數(shù)個字節(jié)組成并與CS信號對齊(也就是長度為8個時鐘周期的整數(shù)倍)。
    主機和SD卡之間是通過指令與響應來實現(xiàn)交互的。
    圖2給出了SPI模式下基本的指令與響應的時序。

    圖中一個方格代表一個字節(jié)，H為邏輯全“1”，L為邏輯全“O”，X代表未知，Z為高阻態(tài)。NCS、NEC和NCR都是包含N個8時鐘周期，具體N的取值范圍在SD卡規(guī)范中給出了詳細的說明。
    SD卡所有的指令，長度都是6字節(jié)。表2列出了指令格式。

    在有效接收到主機發(fā)來的指令之后，SD卡將會把對應的響應數(shù)據段放在總線上，主機根據響應的內容判斷SD卡的狀態(tài)。所有的響應都是MSB優(yōu)先傳輸。SD卡有4種類型的響應格式，分別為R1、R1b、R2、R3。
    除了SEND_STATUS和READ_OCR指令外，其他指令的響應都是格式R1。格式R1的長度為1字節(jié)，并且最高位總是0。其余每位均是錯誤指示，在指令接收過程中發(fā)生了什么樣的錯誤，對應的錯誤位就會是“1”。R1b和R1具有相同的格式，它將伴隨一個附加的busy信號。busy信號的長度可以是任意個字節(jié)。全零表示卡處在“忙”的狀態(tài)。格式R2的長度為2字節(jié)，它是指令SEND_STATUS的響應。它的高字節(jié)和R1相同，低字節(jié)同樣作為狀態(tài)指示。當接收到了READ_OCR指令時，SD卡將會產生格式R3的響應，該響應的長度為5字節(jié)。最高字節(jié)和R1相同，其余的4字節(jié)將包含SD卡的OCR寄存器信息。
    在SD卡規(guī)范中詳細描述了每條指令的格式內容及作用，并給出了各條指令所對應的響應。對于每種響應的信息也有詳細的說明，具體信息參閱參考文獻。

2 SD卡接口電路設計
    16位的dsPIC33F系列DSC具有高達40 MIPS的指令周期，繼承了Microchip公司之前8位和16位MCU產品的優(yōu)點，并保持著對以往低成本開發(fā)系統(tǒng)的兼容性。dsPIC33FJ64GP706是其中一款64引腳的通用產品，擁有高達64 KB的Flash程序存儲器和16 KB的數(shù)據存儲器。該芯片集成了2個通用SPI接口，本設計使用SPI2模塊來建立和SD存儲卡的通信。
    圖3所示為dsPIC33FJ64GP706與SD卡座的接口電路。為了防止在無卡接入或卡驅動器呈高阻態(tài)時總線懸空，在每根信號線上要接一個上拉電阻，根據SD卡規(guī)范(見參考文獻，第6章)，電阻的阻值可以取10～90kΩ?？ㄗ腃D引腳是SD卡檢測信號引腳，當有卡插入時，該引腳對地短路。WP是寫保護信號引腳，在卡插入且沒有寫保護時，該引腳對地短路；如果SD卡寫保護或沒有卡插入，該引腳通過上拉電阻接到電源正極。

3 SD卡接口的實現(xiàn)
3．1 選擇SD卡的SPI模式并初始化SD卡
    在上電之后，主機開始發(fā)送時鐘信號，此時的時鐘頻率不能超過400 kHz。主機要連續(xù)發(fā)送至少74個時鐘周期的“1”才能使SD卡準備好通信，然后選擇SPI模式。SD卡進入SPI模式之后，就可以接收來自主機的操作指令了。這時候主機發(fā)送SEND_OP_COND指令，激活卡的初始化過程。在得到正確的響應之后，主機再發(fā)送SEND_CSD指令讀取CSD寄存器的內容。正確響應之后，將SPI總線時鐘頻率提高到10 MHz，初始化過程結束。
3．2 指令和響應交互過程的軟件實現(xiàn)

    typSD_CMD是自定義的結構類型，包含指令索引、CRC和響應格式。最后一個字節(jié)數(shù)據用來說明該指令有無后續(xù)數(shù)據塊，例如READ_SINGLE_BLOCK(單數(shù)據塊讀指令)，它需要SD卡發(fā)送一個數(shù)據塊的數(shù)據，因此其后的數(shù)據為“1”。對于指令索引，是把開始位和傳輸位與6位索引值包含在一起的數(shù)據。例如G0_IDLE_STATE的索引值是二進制“000000”，加上開始位“O”和傳輸位“1”，成為“01000000”，即“Ox40”，READ_SINGLE_BLOCK的索引值是“010001”，加上開始位和傳輸位，成為“01010001”即"0x51”。
    定義發(fā)送指令函數(shù)為SendSDCmd()，返回值為從總線上讀取的響應數(shù)據。(具體函數(shù)略——編者注)函數(shù)的第一個參數(shù)是指令列表數(shù)組中相應指令元素的序號，函數(shù)會根據它的值在指令表中查到對應的信息，第二個參數(shù)是指令的附加內容。函數(shù)中CMD_PACKET是按指令格式(見表2)定義的聯(lián)合類型，程序通過查表的方式將指令的內容裝載到該類型定義的變量中，并通過函數(shù)Write_sd()發(fā)送出去。write_sd()的作用是把一個字節(jié)的數(shù)據放到SPI2模塊的burfer里，完成一個字節(jié)的發(fā)送。函數(shù)ReadSd()用來讀取SPI2接收的一個字節(jié)數(shù)據。如果接收的數(shù)據是0xff，則不是響應數(shù)據；如果接收到的響應不為全零，則說明有錯誤發(fā)生。
    以上程序按照圖2所示時序執(zhí)行，來實現(xiàn)一次指令和響應數(shù)據的交互。當某條指令有后續(xù)數(shù)據時，按照規(guī)范中的時序發(fā)送或者讀取數(shù)據。
3．3 讀寫操作的實現(xiàn)
    READ_SINGLE_BLOCK是單數(shù)據塊讀指令，在接收到有效的讀指令后SD卡將會送出一個響應。緊接著是一個帶16位CRC校驗后綴的數(shù)據塊，數(shù)據塊的長度要在之前由SET_BLOCKEN(CMDl6)指令定義，一般為512字節(jié)，正好一個扇區(qū)的大小。數(shù)據塊的開始是1字節(jié)的開始令牌，值為“0xFE”，結束是2字節(jié)的CRC。該操作的通信過程如圖4所示。

    WRITE_SINGLE_BLOCK是單數(shù)據寫操作指令，在接收到主機傳來的數(shù)據后，SD卡會發(fā)送一個值為0x5的數(shù)據響應，之后進入busy狀態(tài)。該操作的通信過程如圖5所示。

    按照以上通信過程編寫程序，單數(shù)據塊讀和寫的程序流程如圖6所示。

4 結果驗證
    將容量為1 GB的SD卡插入SD讀卡器，再將讀卡器插入PC機的USB接口中，此時系統(tǒng)出現(xiàn)“可移動磁盤(H：)”根目錄。打開winhex軟件，點擊“工具”下拉菜單中的“打開磁盤”，選擇“物理磁盤”中的“RMl：Ceneric STORAGE DEVICE(O．9G，USB)”，單擊“確定”按鈕，得到該SD卡第一個物理扇區(qū)的數(shù)據。該SD卡在偏移量從446開始的16個字節(jié)有數(shù)據“00 03 3D 00 06 OD ED DB F9 00 00 OO 07 5F 1E 00”，該扇區(qū)結束的兩個字節(jié)為“55AA”，其余部分數(shù)據均為“00”。
    將SD卡取出，插入本設計電路的SD卡座中，用示波器連接D0、CLK和DI線，接通電源，測量SPI總線上的波形。
    本設計利用dsPIC33FJ64GP706的SPI接口實現(xiàn)了對SD存儲卡的操作，可以把SD卡和dsPIC33F系列DSC兩方面的優(yōu)點集中到一個嵌入式系統(tǒng)中，有較高的利用價值。