1 SD卡標(biāo)準(zhǔn)
SD卡標(biāo)準(zhǔn)是SD卡協(xié)會(huì)針對(duì)可移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)專利并授權(quán)的一種標(biāo)準(zhǔn)，主要用于制定卡的外形尺寸、電氣接口和通信協(xié)議。
1.1 SD卡引腳功能
圖1 SD卡外形
SD卡的外形如圖1所示，引腳功能如表1所列。SD卡的引腳具有雙重功能，既可工作在SD模式，也可工作在SPI模式。不同的模式下，引腳的功能不同。
表1 SD卡引腳功能
SD模式多用于對(duì)SD卡讀寫速度要求較高的場(chǎng)合，SPI模式則是以犧牲讀寫速度換取更好的硬件接口兼容性。由于SPI協(xié)議是目前廣泛流行的通信協(xié)議，大多數(shù)高性能單片機(jī)都配備了SPI硬件接口，硬件連接相對(duì)簡(jiǎn)單，因此，在對(duì)SD卡讀寫速度要求不高的情況下，采用SPI模式無疑是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
1.2 SPI模式
SPI模式是一種簡(jiǎn)單的命令響應(yīng)協(xié)議，主控制器發(fā)出命令后，SD卡針對(duì)不同的命令返回對(duì)應(yīng)的響應(yīng)。
SD卡的命令列表都是以CMD和ACMD開頭，分別指通用命令和專用命令，后面接命令的編號(hào)。例如，CMD17就是一個(gè)通用命令，用來讀單塊數(shù)據(jù)。
在SPI模式中，命令都是以如下的6字節(jié)形式發(fā)送的：
每幀命令都以“01”開頭，然后是6位命令號(hào)和4字節(jié)的參數(shù)（高位在前，低位在后），最后是7位CRC校驗(yàn)和1位停止位“1”。
表2 R1響應(yīng)格式
SD卡的每條命令都會(huì)返回對(duì)應(yīng)的響應(yīng)類型。在SPI模式下，共有3種響應(yīng)類型：R1、R2和R3，分別占1、2和3個(gè)字節(jié)。這里僅列出了R1響應(yīng)的格式，如表2所列。當(dāng)出現(xiàn)表中所描述的狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的位置1。R2和R3的第1個(gè)字節(jié)格式與R1完全一樣，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考SD卡標(biāo)準(zhǔn)。
2 硬件設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)選用Freescale公司的32位低功耗微控制器MCF51QE128，采用SPI模式實(shí)現(xiàn)與SD卡的接口。
由于MCF51QE128是一款低功耗的微控制器，工作電壓的典型值為3.6 V，與SD卡的工作電壓兼容，因而可以直接與SD卡連接，無需電平轉(zhuǎn)換電路。這里選用的是MCF51QE128的第2個(gè)SPI口，硬件連接如圖2所示。
圖2 SD卡與MCF51QE128的硬件連接
3 軟件實(shí)現(xiàn)
軟件部分主要實(shí)現(xiàn)MCF51QE128的初始化、底層SPI通信，以及SD卡的通用寫命令、初始化和單塊數(shù)據(jù)的讀寫等功能。
3.1 MCF51QE128的初始化
在與SD卡通信之前，首先需要配置MCF51QE128，并初始化SPI端口。代碼如下：
//定義片選信號(hào)
#define select_card() PTDD_PTDD3 = 0
#define unselect_card() PTDD_PTDD3 = 1
void MCU_Init(void) {
SOPT1 = 0x23;//關(guān)看門狗
SCGC1 = 0x00;//禁用其他外設(shè)的總線時(shí)鐘
SCGC2 = 0x02;//開SPI2模塊的總線時(shí)鐘
PTDDD = 0x08;//SPI片選信號(hào)由軟件設(shè)置
}
void SPI_Init (void) {
SPI2BR = 0x44;//設(shè)初始SPI時(shí)鐘為400 kHz
SPI2C1 = 0xD0;//SPI 中斷允許，系統(tǒng)中斷允許，主模式選擇
SPI2C2 = 0x00;
}
3.2 底層SPI通信
底層的SPI通信是實(shí)現(xiàn)最終讀寫的關(guān)鍵。由于MCF51QE128自帶SPI硬件接口，因此只需要讀寫SPI數(shù)據(jù)寄存器的值。這里自定了byte、word和dword三種數(shù)據(jù)類型，分別對(duì)應(yīng)于8位、16位和32位數(shù)據(jù)。代碼如下：
byte SPI_ReadByte(void) {//SPI讀字節(jié)函數(shù)
while (!SPI2S_SPTEF);//等待，直到發(fā)送寄存器為空
SPI2D = 0xff;//接收1字節(jié)數(shù)據(jù)
while (!SPI2S_SPRF);
return SPI2D;
}
byte SPI_WriteByte(byte val) {//SPI寫字節(jié)函數(shù)
while ((!SPI2S_SPTEF)&&(!PTDD_PTDD3));//等待，直到發(fā)送寄存器為空
SPI2D = val;//發(fā)送數(shù)據(jù)
}
3.3 SD卡的通用寫命令
由于SD卡的命令具有統(tǒng)一的格式，因此可以用一個(gè)通用的寫命令函數(shù)來實(shí)現(xiàn)所有命令的發(fā)送。另外，考慮到多數(shù)命令的響應(yīng)類型都是R1，這里的通用寫命令函數(shù)所接收的響應(yīng)類型默認(rèn)為R1。函數(shù)代碼如下：
byte SD_SendCommand_R1(byte cmd, dword arg) {
byte i,r1;
SPI_WriteByte(0xff);//等待幾個(gè)時(shí)鐘周期
SPI_WriteByte((byte)(cmd|0x40));//寫入命令號(hào)
SPI_WriteByte((byte)(arg>>24));//4字節(jié)命令參數(shù)
SPI_WriteByte((byte)(arg>>16));
SPI_WriteByte((byte)(arg>>8));
SPI_WriteByte((byte)(arg));
SPI_WriteByte((byte)(cmd == 0x00? 0x95 : 0xff));//CRC校驗(yàn)和
for(i = 0; i < 10; ++i) {//接收響應(yīng)
r1 = SPI_ReadByte();
if(r1 != 0xff) break;
}
return r1;
}
3.4 SD卡的初始化
SD卡的初始化要遵循一定的步驟。首先將SPI時(shí)鐘降低到400 kHz，等待至少74個(gè)時(shí)鐘周期。接著拉低片選信號(hào)，并發(fā)送CMD0命令，對(duì)SD卡進(jìn)行復(fù)位并使其進(jìn)入SPI模式，這里需要正確的CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)字節(jié)為0x95。若SD卡進(jìn)入空閑狀態(tài)（即接收響應(yīng)為0x01時(shí)），則發(fā)送CMD1命令，激活卡的初始化過程，此時(shí)響應(yīng)為0x00。然后設(shè)置塊的長(zhǎng)度，一般為512字節(jié)。最后將片選拉高并將SPI時(shí)鐘設(shè)為最大值，以保證最大的讀寫速度。SD卡初始化過程如圖3所示。
圖3 SD卡初始化過程
SD卡初始化代碼如下：
byte SD_Init(void) {
word i;
byte response;
for(i=0;i<10;i++)SPI_ReadByte();//等待至少74個(gè)時(shí)鐘周期
select_card();//片選拉低
for(i = 0; ; i++) {
response = SD_SendCommand_R1(0x00,0);//發(fā)送CMD0
if(response == 0x01) break;//進(jìn)入空閑狀態(tài)
if(i == 0x1ff) {
unselect_card();
return 0;
}
}
for(i = 0; ; i++) {
response = SD_SendCommand_R1(0x01,0);//發(fā)送CMD1，激活卡的初始化
if(response == 0x00) break;
if(i == 0x1ff) {
unselect_card();
return 0;
}
}
if(SD_SendCommand_R1(0x10, 512)) {//設(shè)置塊長(zhǎng)度為512字節(jié)
unselect_card();
return 0;
}
unselect_card();//片選拉高SPI2BR = 0x40;選擇最高SPI時(shí)鐘
return 1;
}
3.5 SD卡單塊數(shù)據(jù)讀寫
SPI模式支持單塊和多塊數(shù)據(jù)的讀寫操作，可通過發(fā)送相應(yīng)的命令來實(shí)現(xiàn)。讀單塊數(shù)據(jù)的操作過程如圖4所示。拉低片選后，首先由主控制器MCF51QE128發(fā)送讀單塊數(shù)據(jù)命令CMD17，然后等待SD卡的響應(yīng)。當(dāng)收到數(shù)據(jù)塊開始標(biāo)志0xfe后，開始從SD卡讀取512字節(jié)的數(shù)據(jù)，最后讀取2字節(jié)的CRC校驗(yàn)位。
圖4 讀單塊數(shù)據(jù)操作
讀單塊數(shù)據(jù)的函數(shù)代碼如下：
byte SD_ReadSingleBlock(byte data[], dword sector) {
word i;
select_card();
if(SD_SendCommand_R1(0x11, sector)) {//發(fā)送讀單塊數(shù)據(jù)命令CMD17
unselect_card();
return 0;
}
while(SPI_ReadByte() != 0xfe) ;//等待，直到收到數(shù)據(jù)塊開始標(biāo)志0xfe
for(i = 0; i < 512; i++) data[i] = SPI_ReadByte();//讀512字節(jié)數(shù)據(jù)塊
SPI_ReadByte();//讀16位CRC校驗(yàn)
SPI_ReadByte();
unselect_card();
SPI_ReadByte();
return 1;
}
寫單塊數(shù)據(jù)的操作過程與讀操作類似，如圖5所示。拉低片選后同樣由主控制器MCF51QE128發(fā)送寫單塊數(shù)據(jù)命令CMD24，SD卡正確響應(yīng)后發(fā)送數(shù)據(jù)塊開始標(biāo)志0xfe，接著發(fā)送512字節(jié)數(shù)據(jù)塊和2字節(jié)CRC校驗(yàn)。
圖5 寫單塊數(shù)據(jù)操作
寫入數(shù)據(jù)后，SD卡會(huì)發(fā)送1字節(jié)的數(shù)據(jù)響應(yīng)來反饋數(shù)據(jù)寫入的情況，其格式如圖6所示。當(dāng)數(shù)據(jù)正確寫入SD卡后，數(shù)據(jù)響應(yīng)為0x05。最后讀數(shù)據(jù)總線，寫數(shù)據(jù)忙時(shí)等待，直到總線為高電平。
圖6 數(shù)據(jù)響應(yīng)格式
寫單塊數(shù)據(jù)的函數(shù)代碼如下：
byte SD_WriteSingleBlock(byte data[], dword sector) {
word i;
byte response;
select_card();
if(SD_SendCommand_R1(0x18, sector)) {//發(fā)送寫單塊數(shù)據(jù)命令CMD24
unselect_card();
return 0;
}
SPI_WriteByte(0xfe);//發(fā)送數(shù)據(jù)塊開始標(biāo)志0xfe
for(i = 0; i < 512; i++)SPI_WriteByte(data[i]);//寫512字節(jié)數(shù)據(jù)塊
SPI_WriteByte(0xff); //寫16位CRC校驗(yàn)
SPI_WriteByte(0xff);
for(i = 0; ; i++) {//讀數(shù)據(jù)響應(yīng)，判斷數(shù)據(jù)是否//正確寫入
response = SPI_ReadByte();
if((response & 0x0f) == 0x05) break;
if(i == 0x1ff) {
unselect_card();
return 0;
}
}
while(SPI_ReadByte() != 0xff) ;//寫數(shù)據(jù)忙時(shí)，等待
SPI_ReadByte();
unselect_card();
return 1;
}
結(jié)語
SD卡是目前廣泛應(yīng)用的可擦除的大容量存儲(chǔ)設(shè)備，其接口設(shè)計(jì)可作為各類嵌入式系統(tǒng)中存儲(chǔ)單元的一般解決方案。本文結(jié)合SD卡標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)，基于MCF51QE128微控制器完成了硬件接口和底層通信軟件的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步構(gòu)建文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)更有效的管理。