淺談dsPIC33F系列DSC的SD存儲(chǔ)卡接口設(shè)計(jì)
引 言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/149885.htmSD卡是Secure Digital Card卡的簡(jiǎn)稱,直譯成漢語(yǔ)就是“安全數(shù)字卡”,是由日本松下公司、東芝公司和美國(guó)SANDISK公司共同開(kāi)發(fā)研制的全新的存儲(chǔ)卡產(chǎn)品。SD存儲(chǔ)卡是一個(gè)完全開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)(系統(tǒng)),多用于MP3、數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、電子圖書(shū)、AV器材等等,尤其是被廣泛應(yīng)用在超薄數(shù)碼相機(jī)上。SD卡在外形上同MultiMedia Card卡保持一致,大小尺寸比MMC卡略厚,容量也大很多。并且兼容MMC卡接口規(guī)范。不由讓人們懷疑SD卡是MMC升級(jí)版。另外,SD卡為9引腳,目的是通過(guò)把傳輸方式由串行變成并行,以提高傳輸速度。它的讀寫(xiě)速度比MMC卡要快一些,同時(shí),安全性也更高。SD卡最大的特點(diǎn)就是通過(guò)加密功能,可以保證數(shù)據(jù)資料的安全保密。它還具備版權(quán)保護(hù)技術(shù),所采用的版權(quán)保護(hù)技術(shù)是DVD中使用的CPRM技術(shù)(可刻錄介質(zhì)內(nèi)容保護(hù))。
SD卡身材小巧,一般消費(fèi)者在購(gòu)買之前不會(huì)有太多了解,因此從外觀上辨別有些困難,下面為大家介紹一下市場(chǎng)上常見(jiàn)的SanDisk牌SD卡真假的辨別方法: 首先是看存儲(chǔ)卡本身, sandisk正品儲(chǔ)存卡都在正面貼有激光變彩標(biāo)簽,不同角度都會(huì)產(chǎn)生激光色彩變化。其次是國(guó)內(nèi)代理的行貨正品卡,均采用了與上面相類似的塑料封裝的包裝形式,但是右下的“5年保證”的字樣和日文均改為了圖形表明的5年質(zhì)保。另外,還可以從SD卡底部是否有缺口來(lái)進(jìn)行最簡(jiǎn)單識(shí)別,由于正品 SanDisk 牌 SD 卡背面產(chǎn)地上方的編號(hào)是惟一的,并可通過(guò) 800 電話查詢真?zhèn)?,但?jù)說(shuō)這一查詢系統(tǒng)目前尚未做好。
Microchip公司的DSPIC33F系列通用DSC(數(shù)字信號(hào)控制器),是在16位MCU架構(gòu)基礎(chǔ)之上添加了DSP引擎,從而具有數(shù)字信號(hào)處理功能的微控制器產(chǎn)品。該系列DSC集成了DCI(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器)接口,尤其適用于語(yǔ)音和音頻的應(yīng)用。
本文首先簡(jiǎn)要介紹SD卡的相關(guān)規(guī)范,之后利用dsPIC33FJ64GP706通用DSC設(shè)計(jì)了SD卡接口電路,最后通過(guò)SPI模式實(shí)現(xiàn)了對(duì)SD卡的基本操作。
1 SD卡相關(guān)規(guī)范簡(jiǎn)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(gè)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(chǔ)容量可以達(dá)到2 GB。2006年,SD卡規(guī)范V2.0發(fā)布。新規(guī)范根據(jù)容量定義了兩種卡,即標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)容量SD卡仍然是市場(chǎng)的主流產(chǎn)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。微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期,經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展,其成本越來(lái)越低,而性能越來(lái)越強(qiáng)大,這使其應(yīng)用已經(jīng)無(wú)處不在,遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機(jī)控制、條碼閱讀器/掃描器、消費(fèi)類電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門(mén)禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電(洗衣機(jī)、微波爐)等。
1.1 概 述
SD存儲(chǔ)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(shí),第8和第9腳不使用。表1列出了各引腳在SPI模式時(shí)的定義和功能描述。
圖中的WP是一個(gè)機(jī)械滑片,通過(guò)滑動(dòng)到不同的位置來(lái)對(duì)SD卡進(jìn)行寫(xiě)保護(hù)。
SD卡內(nèi)部有6個(gè)和接口相關(guān)的寄存器:OCR、CID、CSD、RCA、DSR和SCR。它們只能通過(guò)各自對(duì)應(yīng)的指令來(lái)訪問(wèn)。
1.2 SPI協(xié)議
系統(tǒng)上電之后,如果主機(jī)在將CS線聲明為低電平的同時(shí)發(fā)送復(fù)位指令(CMDO),則SPI模式啟用。SD卡在SPI模式下按字節(jié)進(jìn)行通信,每一個(gè)指令和數(shù)據(jù)塊都由數(shù)個(gè)字節(jié)組成并與CS信號(hào)對(duì)齊(也就是長(zhǎng)度為8個(gè)時(shí)鐘周期的整數(shù)倍)。
主機(jī)和SD卡之間是通過(guò)指令與響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)交互的。
圖2給出了SPI模式下基本的指令與響應(yīng)的時(shí)序。
圖中一個(gè)方格代表一個(gè)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(gè)8時(shí)鐘周期,具體N的取值范圍在SD卡規(guī)范中給出了詳細(xì)的說(shuō)明。
SD卡所有的指令,長(zhǎng)度都是6字節(jié)。表2列出了指令格式。
在有效接收到主機(jī)發(fā)來(lái)的指令之后,SD卡將會(huì)把對(duì)應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)段放在總線上,主機(jī)根據(jù)響應(yīng)的內(nèi)容判斷SD卡的狀態(tài)。所有的響應(yīng)都是MSB優(yōu)先傳輸。SD卡有4種類型的響應(yīng)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(yīng)都是格式R1。格式R1的長(zhǎng)度為1字節(jié),并且最高位總是0。其余每位均是錯(cuò)誤指示,在指令接收過(guò)程中發(fā)生了什么樣的錯(cuò)誤,對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤位就會(huì)是“1”。R1b和R1具有相同的格式,它將伴隨一個(gè)附加的busy信號(hào)。busy信號(hào)的長(zhǎng)度可以是任意個(gè)字節(jié)。全零表示卡處在“忙”的狀態(tài)。格式R2的長(zhǎng)度為2字節(jié),它是指令SEND_STATUS的響應(yīng)。它的高字節(jié)和R1相同,低字節(jié)同樣作為狀態(tài)指示。
在SD卡規(guī)范中詳細(xì)描述了每條指令的格式內(nèi)容及作用,并給出了各條指令所對(duì)應(yīng)的響應(yīng)。對(duì)于每種響應(yīng)的信息也有詳細(xì)的說(shuō)明,具體信息參閱參考文獻(xiàn)。
2 SD卡接口電路設(shè)計(jì)
16位的dsPIC33F系列DSC具有高達(dá)40 MIPS的指令周期,繼承了Microchip公司之前8位和16位MCU產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn),并保持著對(duì)以往低成本開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的兼容性。dsPIC33FJ64GP706是其中一款64引腳的通用產(chǎn)品,擁有高達(dá)64 KB的Flash程序存儲(chǔ)器和16 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
圖3所示為dsPIC33FJ64GP706與SD卡座的接口電路。為了防止在無(wú)卡接入或卡驅(qū)動(dòng)器呈高阻態(tài)時(shí)總線懸空,在每根信號(hào)線上要接一個(gè)上拉電阻,根據(jù)SD卡規(guī)范(見(jiàn)參考文獻(xiàn),第6章),電阻的阻值可以取10~90kΩ??ㄗ腃D引腳是SD卡檢測(cè)信號(hào)引腳,當(dāng)有卡插入時(shí),該引腳對(duì)地短路。WP是寫(xiě)保護(hù)信號(hào)引腳,在卡插入且沒(méi)有寫(xiě)保護(hù)時(shí),該引腳對(duì)地短路;如果SD卡寫(xiě)保護(hù)或沒(méi)有卡插入,該引腳通過(guò)上拉電阻接到電源正極。
3 SD卡接口的實(shí)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(jī)開(kāi)始發(fā)送時(shí)鐘信號(hào),此時(shí)的時(shí)鐘頻率不能超過(guò)400 kHz。主機(jī)要連續(xù)發(fā)送至少74個(gè)時(shí)鐘周期的“1”才能使SD卡準(zhǔn)備好通信,然后選擇SPI模式。SD卡進(jìn)入SPI模式之后,就可以接收來(lái)自主機(jī)的操作指令了。這時(shí)候主機(jī)發(fā)送SEND_OP_COND指令,激活卡的初始化過(guò)程。在得到正確的響應(yīng)之后,主機(jī)再發(fā)送SEND_CSD指令讀取CSD寄存器的內(nèi)容。
3.2 指令和響應(yīng)交互過(guò)程的軟件實(shí)現(xiàn)
typSD_CMD是自定義的結(jié)構(gòu)類型,包含指令索引、CRC和響應(yīng)格式。最后一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)用來(lái)說(shuō)明該指令有無(wú)后續(xù)數(shù)據(jù)塊,例如READ_SINGLE_BLOCK(單數(shù)據(jù)塊讀指令),它需要SD卡發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù),因此其后的數(shù)據(jù)為“1”。對(duì)于指令索引,是把開(kāi)始位和傳輸位與6位索引值包含在一起的數(shù)據(jù)。例如G0_IDLE_STATE的索引值是二進(jìn)制“000000”,加上開(kāi)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(kāi)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(yīng)數(shù)據(jù)。(具體函數(shù)略——編者注)函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)是指令列表數(shù)組中相應(yīng)指令元素的序號(hào),函數(shù)會(huì)根據(jù)它的值在指令表中查到對(duì)應(yīng)的信息,第二個(gè)參數(shù)是指令的附加內(nèi)容。函數(shù)中CMD_PACKET是按指令格式(見(jiàn)表2)定義的聯(lián)合類型,程序通過(guò)查表的方式將指令的內(nèi)容裝載到該類型定義的變量中,并通過(guò)函數(shù)Write_sd()發(fā)送出去。write_sd()的作用是把一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)放到SPI2模塊的burfer里,完成一個(gè)字節(jié)的發(fā)送。函數(shù)ReadSd()用來(lái)讀取SPI2接收的一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。
以上程序按照?qǐng)D2所示時(shí)序執(zhí)行,來(lái)實(shí)現(xiàn)一次指令和響應(yīng)數(shù)據(jù)的交互。當(dāng)某條指令有后續(xù)數(shù)據(jù)時(shí),按照規(guī)范中的時(shí)序發(fā)送或者讀取數(shù)據(jù)。
3.3 讀寫(xiě)操作的實(shí)現(xiàn)
READ_SINGLE_BLOCK是單數(shù)據(jù)塊讀指令,在接收到有效的讀指令后SD卡將會(huì)送出一個(gè)響應(yīng)。緊接著是一個(gè)帶16位CRC校驗(yàn)后綴的數(shù)據(jù)塊,數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度要在之前由SET_BLOCKEN(CMDl6)指令定義,一般為512字節(jié),正好一個(gè)扇區(qū)的大小。該操作的通信過(guò)程如圖4所示。
WRITE_SINGLE_BLOCK是單數(shù)據(jù)寫(xiě)操作指令,在接收到主機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)后,SD卡會(huì)發(fā)送一個(gè)值為0x5的數(shù)據(jù)響應(yīng),之后進(jìn)入busy狀態(tài)。該操作的通信過(guò)程如圖5所示。
按照以上通信過(guò)程編寫(xiě)程序,單數(shù)據(jù)塊讀和寫(xiě)的程序流程如圖6所示。
4 結(jié)果驗(yàn)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(jī)的USB接口中,此時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)“可移動(dòng)磁盤(pán)(H:)”根目錄。打開(kāi)winhex軟件,點(diǎn)擊“工具”下拉菜單中的“打開(kāi)磁盤(pán)”,選擇“物理磁盤(pán)”中的“RMl:Ceneric STORAGE DEVICE(O.9G,USB)”,單擊“確定”按鈕,得到該SD卡第一個(gè)物理扇區(qū)的數(shù)據(jù)。該SD卡在偏移量從446開(kāi)始的16個(gè)字節(jié)有數(shù)據(jù)“00 03 3D 00 06 OD ED DB F9 00 00 OO 07 5F 1E 00”,該扇區(qū)結(jié)束的兩個(gè)字節(jié)為“55AA”,其余部分?jǐn)?shù)據(jù)均為“00”。
將SD卡取出,插入本設(shè)計(jì)電路的SD卡座中,用示波器連接D0、CLK和DI線,接通電源,測(cè)量SPI總線上的波形。
本設(shè)計(jì)利用dsPIC33FJ64GP706的SPI接口實(shí)現(xiàn)了對(duì)SD存儲(chǔ)卡的操作,可以把SD卡和dsPIC33F系列DSC兩方面的優(yōu)點(diǎn)集中到一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中,有較高的利用價(jià)值。
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