SD存儲(chǔ)技術(shù)及其基于S3C2410的應(yīng)用

摘要:本文首先介紹了SD Memory Card ( Secure D ig ita l MemoryCard)的基本結(jié)構(gòu)和原理,著重對SD 卡的命令字和操作流程進(jìn)行介紹。接著研究了三星32位嵌入式處理器S3C2410與SD 卡硬件接口電路及其對SD卡的基本讀寫操作方式。

關(guān)鍵詞: SD;存儲(chǔ); S3C24101

1 引言

SD卡( Secure DigitalMemory Card)是一種基于Flash的新一代存儲(chǔ)器,它著重?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全、容量和性能,是許多便攜式電子產(chǎn)品如數(shù)碼相機(jī)、手提電話, PDA 等理想的外部存儲(chǔ)介質(zhì)。

2　SD的基本概念

2. 1　SD的通信協(xié)議

SD卡系統(tǒng)可以在兩種通信協(xié)議下工作: SD協(xié)議和SP I協(xié)議。用戶可以在硬件初始化時(shí)自由選擇SD卡系統(tǒng)的通信協(xié)議。對于特定的硬件電路,用戶只需使用一種通信協(xié)議即可。

本文根據(jù)筆者的硬件,僅討論最常用的SD協(xié)議。

2. 2　SD數(shù)據(jù)傳輸方式

SD支持兩種數(shù)據(jù)傳輸方式: 1 - bit方式(標(biāo)準(zhǔn)總線)和4- bit方式(寬總線) 。在1 - bit方式下,數(shù)據(jù)僅僅在數(shù)據(jù)線0(DAT[ 0 ] ) 上傳輸。在4 - bit方式下, 數(shù)據(jù)在4 根數(shù)據(jù)線(DAT[ 3: 0 ] )上同時(shí)傳輸。在4 - bit數(shù)據(jù)傳輸方式下,最高的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)100Mb / sec。表1列出了在兩種方式下SD接口信號的定義。

上電后, 缺省狀態(tài)下系統(tǒng)工作于1 - bit方式。在SD卡處于傳輸狀態(tài)時(shí), 用戶可以自由地更改為1 - bit或4 - bit方式。

2. 3　SD 通信原理

SD總線是一個(gè)星型的總線結(jié)構(gòu),系統(tǒng)中允許有一個(gè)主控器,最多可達(dá)十個(gè)從設(shè)備( SD卡) 。在系統(tǒng)初始化時(shí),主控器分別為每一個(gè)設(shè)備分配一個(gè)設(shè)備地址,此后主控器就可以根據(jù)此設(shè)備地址獨(dú)立操作該設(shè)備。

SD總線通信是基于命令和數(shù)據(jù)位流的,每一個(gè)數(shù)據(jù)流都包括一個(gè)起始位和一個(gè)結(jié)束位。

每一個(gè)SD命令表征一個(gè)卡操作的開始。SD命令由命令線(CMD)進(jìn)行傳輸。

SD卡在接收到命令后,會(huì)向主控器發(fā)送一個(gè)應(yīng)答信號,表征已經(jīng)接收了一個(gè)命令。應(yīng)答信號傳輸在CMD線上。有小部分的命令是沒有應(yīng)答信號的,這取決于命令的類型。

SD數(shù)據(jù)傳輸是雙向。所有的數(shù)據(jù)傳輸都在數(shù)據(jù)線上進(jìn)行。

2. 4　SD系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)組織格式

SD系統(tǒng)中的命令傳輸、應(yīng)答信號傳輸和數(shù)據(jù)傳輸都有各自專門的組織形式,如圖1。

所有的命令字、應(yīng)答和數(shù)據(jù)的第一位都為起始位“0”,最后一位為結(jié)束位“1”。

命令字和應(yīng)答中的第二位為發(fā)送者標(biāo)志位,“1”表示主控器命令,“0”表示SD卡應(yīng)答信號。

SD卡根據(jù)所接收命令字的不同,有R1, R2, R3和R6四種不同的應(yīng)答,具體可參考SD相關(guān)文檔。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),如果使用寬總線傳輸方式,同一時(shí)間有四位數(shù)據(jù)在傳輸,分別使用四根數(shù)據(jù)線。每根數(shù)據(jù)線上的CRC校驗(yàn)碼是獨(dú)立計(jì)算的。

3　SD卡操作流程

SD系統(tǒng)所有的通信都由主控器控制。主控器必須負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化,設(shè)置通信中必需的各種參數(shù),然后再發(fā)起數(shù)據(jù)讀取或?qū)懭氩僮?。在這一系列過程中, SD卡可能處于如表2所示的各種狀態(tài)中的一種。

3. 1　系統(tǒng)初始化

此階段系統(tǒng)的操作模式屬于卡鑒別模式。

主控制器首先發(fā)送命令字CMD0重置所有系統(tǒng)中處于鑒別模式中的卡。接收到命令CMD0后, SD卡將被初始化,并獲得一個(gè)缺省的地址0 (相對卡地址寄存器RCA = 0x0) 。

接著主控器以自己要求的工作電壓范圍為參數(shù)發(fā)送命令A(yù)CMD41查詢SD卡的OCR (工作環(huán)境寄存器) 。工作電壓不在此要求范圍內(nèi)的卡將被排除在進(jìn)一步的總線操作之外并進(jìn)入非活動(dòng)狀態(tài)。符合電壓范圍要求的卡將進(jìn)入就緒狀態(tài)。

緊接下來主控器發(fā)送命令CMD2以獲得SD卡的標(biāo)識號CID。SD卡發(fā)送了CID號后進(jìn)入識別狀態(tài)。

最后,主控器以相對地址為參數(shù)發(fā)送命令CMD3, SD卡接收到命令后用該參數(shù)更新自己的RCA。此后主控器就可以使用此地址尋址該卡。

初始化完成后, SD卡就處于了數(shù)據(jù)傳輸模式的等待狀態(tài),這是數(shù)據(jù)傳輸模式的初始狀態(tài)。此時(shí)通過卡選擇命令CMD7就進(jìn)入傳輸狀態(tài),可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入與讀出了。

3. 2　SD寫操作

SD卡的讀寫是以數(shù)據(jù)塊為基本單位的。數(shù)據(jù)塊的大小因卡而異,通常塊大小為512字節(jié)(Byte)到2048字節(jié)。特定卡的數(shù)據(jù)塊的大小在卡的特性寄存器(CSD)中有定義。特殊情況下,部分卡支持小塊(最小可以字節(jié)為單位)讀寫。但推薦以塊為單位進(jìn)行讀寫。

SD卡支持單塊寫入和多塊寫入。單塊寫入使用命令CMD24,多塊寫入使用命令CMD25。當(dāng)有多個(gè)數(shù)據(jù)塊要寫入時(shí),使用多塊寫入要比多次執(zhí)行單塊寫入能獲得更高的效率。

由于SD卡內(nèi)部具有緩存區(qū),上述過程SD卡處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài),接收到的數(shù)據(jù)并未真正寫入到SD卡的記憶體(memo2ry)內(nèi),而是存放在SD卡的緩存區(qū)內(nèi)。當(dāng)接收數(shù)據(jù)完成后, SD卡自動(dòng)進(jìn)入數(shù)據(jù)編程狀態(tài),這才真正地把數(shù)據(jù)寫入SD卡的記憶體內(nèi)。

3. 3　SD讀操作

與寫操作對應(yīng), SD卡支持單塊讀取和多塊讀取。單塊讀取使用命令CMD17,多塊讀取使用命令CMD18。當(dāng)有多個(gè)數(shù)據(jù)塊要讀取時(shí),使用多塊讀取要比多次執(zhí)行單塊讀取能獲得更高的效率。

4　基于S3C2410的應(yīng)用

三星的S3C2410是一款32位嵌入式處理器,其內(nèi)建了一個(gè)SD主控器,兼容SD 1. 0、MMC 2. 11和SD IO 1. 0版本。使用S3C2410可以方便地與SD卡接口。

4. 1　S3C2410和SD卡的接口

S3C2410與SD卡的接口如圖2所示。其中nCD_SD為卡偵測信號,WP_SD為卡的寫保護(hù)信號。對于簡單的寫操作,只需在寫入前檢測WP_SD位。

4. 2　使用S3C2410對SD卡進(jìn)行讀寫

在通常的SD讀寫操作中,可以使用查詢方式、中斷方式或DMA。當(dāng)SD卡處于傳輸狀態(tài)后,先重置S3C2410發(fā)送緩沖區(qū)、選擇總線寬度、選擇讀數(shù)據(jù)或?qū)憯?shù)據(jù)、選擇讀寫數(shù)據(jù)塊的數(shù)量,選擇讀寫數(shù)據(jù)塊的起始地址,寫入讀或?qū)懨钭?然后根據(jù)要讀寫的數(shù)據(jù)塊數(shù)目連續(xù)地從/向SD數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀出或?qū)懭胍粋€(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊。以下代碼可以使用查詢方式向SD卡寫入一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊:

對SD卡進(jìn)行讀操作的流程與寫操作類似,僅是使用的命令字不同。用戶可根據(jù)寫操作代碼進(jìn)行修改。

5　結(jié)束語

隨著越來越多的電子產(chǎn)品支持SD存儲(chǔ)卡, SD卡的應(yīng)用范圍越來越廣。由32位嵌入式處理器S3C2410和SD卡結(jié)合構(gòu)成的存儲(chǔ)系統(tǒng),為用戶提供了安全、輕便的存儲(chǔ)解決方案。SD卡功能較多,所有操作并非本文能講述清楚的。但通過本文的介紹,讀者可以對SD有一個(gè)概念上的了解,并清楚其基本的操作過程,進(jìn)而加以延伸。