SD卡在单片机系统上的应用
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
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;i0x06;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)(retry100));
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;i0x0f;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
|
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]
|
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