基于C8051F020的SD卡主控制器設(shè)計(jì)

1 引言
　　飛機(jī)飛行狀況監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集儀．用于采集飛機(jī)試飛時(shí)的各種飛行數(shù)據(jù)，要求大量的存儲(chǔ)容量。在飛機(jī)回到地面后，需要方便地將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄓ糜?jì)算機(jī)上，以便作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理和分析。為了把采集的數(shù)據(jù)從采集系統(tǒng)傳輸?shù)酵ㄓ糜?jì)算機(jī)內(nèi)．在過去，是將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分設(shè)計(jì)為可分離的一個(gè)存儲(chǔ)板，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)板上設(shè)計(jì)有CPU和串口。將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)板從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上取下來，通過串口與通用計(jì)算機(jī)通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄓ糜?jì)算機(jī)內(nèi)?？梢钥闯?。這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)：第一，操作麻煩，每次都要將存儲(chǔ)板從采集系統(tǒng)取下來，然后再裝上；第二，經(jīng)常插拔存儲(chǔ)板降低整個(gè)采集系統(tǒng)的可靠性：第三，讀取數(shù)據(jù)的通用計(jì)算機(jī)需要安裝專用程序。此程序是專門開發(fā)用于通用計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)板之間的串口通信程序，增加了使用復(fù)雜性。SD/MMC卡是一種容量大(最大可達(dá)4GB)、性價(jià)比高、體積小、訪問接口簡單的存儲(chǔ)卡，而且通過USB讀卡器，可以很方便地將卡中文件拷貝到通用計(jì)算機(jī)中。目前，SD卡已大量用于數(shù)碼相機(jī)、MP3、手機(jī)與大容量存儲(chǔ)設(shè)備中。在本次飛行狀況監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)采集儀的設(shè)計(jì)中，采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用了SD卡。

2 硬件功能原理與設(shè)計(jì)
　　SD卡的外形和接口如圖1所示。根據(jù)SD卡與主控制器的通信協(xié)議不同，SD卡對(duì)外提供兩種訪問模式：SD模式和SPI模式。所用通信模式不同，SD卡引腳的功能也不同，具體引腳功能如表1所示。在具體通信過程中，主機(jī)只能選擇其中一種通信模式。通信模式的選擇對(duì)于主控制器來說是透明的，卡會(huì)自動(dòng)檢測(cè)復(fù)位命令的通信協(xié)議模式，而且通信模式一旦選定，系統(tǒng)在通電情況下不能改變。SD模式下，主控制器使用SD總線訪問SD卡。可通常的單片機(jī)沒有硬件SD總線，盡管可以借助通用口線用軟件仿真，但訪問速度較低，還要大量占用CPU時(shí)間，而單片機(jī)多具有SPI總線，本文就利用SPI總線實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的訪問。下面主要介紹SPI總線方式。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　
注：S--電源；I--輸入；O--推挽輸出；PP--推挽I/O。
　　在SPI總線模式下．CS為主控制器向卡發(fā)送的片選信號(hào)，SCLK為主控制器向卡發(fā)送的時(shí)鐘信號(hào)。DI(DataIn)為主控制器向卡發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號(hào)，DO(DataOut)為卡向主控制器發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號(hào)。SD卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，SD卡內(nèi)部除了具有大量存儲(chǔ)單元外。還具有卡接口控制器、寄存器以及SD和SPI兩種模式的對(duì)外接口等。外部主控制器訪問卡的外部信號(hào)線并不與存儲(chǔ)器單元直接相連，而是通過卡的接口控制器與存儲(chǔ)器單元接口相連。這樣主控制器并不直接訪問存儲(chǔ)器，而是通過卡的接口控制器來訪問存儲(chǔ)器?？▋?nèi)存儲(chǔ)單元的讀，擦，寫由卡接口控制器根據(jù)主控制器的命令自動(dòng)處理完成，而主控制器無須知道卡內(nèi)是如何操作、管理存儲(chǔ)單元的，這將大大減輕主控制器對(duì)存儲(chǔ)器操作的負(fù)擔(dān)。SD卡內(nèi)部有6個(gè)信息寄存器，用來設(shè)置和保存操作卡的關(guān)鍵信息，有兩個(gè)狀態(tài)寄存器，用來記錄操作卡的當(dāng)前狀態(tài)。

　　采集儀的主控制器采用了C8051F020單片機(jī)。C8051F系列單片機(jī)與8051在指令上完全兼容，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的8051單片機(jī)，片內(nèi)除了具有8052的全部外設(shè)外．又?jǐn)U展了豐富的外設(shè)，是一種名副其實(shí)的SOC (System On Chip)單片機(jī)。C8051F020能夠滿足數(shù)據(jù)采集功能外，還能很容易地實(shí)現(xiàn)SD卡的訪問。與SD卡系統(tǒng)相關(guān)的特性如下：
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　單片機(jī)內(nèi)部采用流水線結(jié)構(gòu)。指令運(yùn)行速度高．指令運(yùn)行速度比一般的80C51系列單片機(jī)提高了大約10倍． 可達(dá)25MIPS指令運(yùn)行速度，滿足高速操作SD卡的功能要求。
　　具有SPI 硬件接口?？膳cSD卡的SPI 總線很好接口。
　　具有8個(gè)8位I/O端口。除滿足數(shù)據(jù)采集需要外。有足夠的口線用于單片機(jī)與SD卡的連接。而且．這些口線可通過軟件進(jìn)行配置，獲得不同的功能，其中SPI 接口，就是通過配置相關(guān)寄存器而獲得的。
　　具有可擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)。支持22個(gè)中斷源．2個(gè)優(yōu)先級(jí)，其中就包括SPI接口產(chǎn)生的中斷。
　　片內(nèi)存儲(chǔ)器包括64KB的Flash、和4KB的XRAM。不需要擴(kuò)展存儲(chǔ)器．就可以滿足文件系統(tǒng)的建立和訪問SD 卡的需要。
3.3V的工作電壓，與SD卡工作電壓兼容。
　　時(shí)鐘系統(tǒng)更加完善．可以使用內(nèi)部時(shí)鐘．也可以使用外部時(shí)鐘。通過編程可以切換。
　　可實(shí)現(xiàn)通過JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試。方便系統(tǒng)的開發(fā)。
　　C8051F系列單片機(jī)的SPI串行接口的主要特點(diǎn)如下：全雙工，三線同步傳輸，即在發(fā)送的同時(shí)也能接受；可以工作在主機(jī)方式或從機(jī)方式；主機(jī)最大數(shù)據(jù)傳輸速率(位/秒)是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的1/2．因而最高可達(dá)10Mb/s；SPI位傳輸速率可通過編程選擇；發(fā)送結(jié)束設(shè)置中斷標(biāo)志．發(fā)送期間不占用CPU時(shí)間;串行時(shí)鐘極性與相位可編程改變；具有寫沖突保護(hù)和總線競(jìng)爭(zhēng)保護(hù)。
　　對(duì)于C8051F020的SPI系統(tǒng)．首先通過設(shè)置I/O端口功能選擇開關(guān)控制寄存器XBR0、XBR1、XBR2．將I/O端口P0.0、P0.1、P0.2、P0.3配置成SPI功能引腳SCK、MISO、MOSI和NSS。此時(shí)I/0端口P0.0、P0.1、P0.2、P0.3就組合成SPI接口了。而設(shè)置和控制SPI接口性能的特殊功能寄存器有SPI0CFG、SPI0CKR、SPI0CN、SPI0DAT。SPI0CFG是SPI的配置寄存器，用于配置SPI的工作方式。并反映通信過程中的數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。SPI0CN是SPI控制寄存器．用于控制SPI的工作．并反映通信過程中的一些錯(cuò)誤標(biāo)志。SPI0CKR是SPI的時(shí)鐘速率寄存器．用于選擇SCK輸出的頻率。SPI0DAT是SPI的數(shù)據(jù)寄存器，用于發(fā)送和接受SPI數(shù)據(jù)。
　　主控制器C8051F020與SD卡座的電路連接圖如圖3所示。除了SPI接口的連接外，還有三根控制線，P0.4_SD_INSERT就是I/O端口P0.4，用于檢測(cè)SD卡在卡座上是否插好。完全插入時(shí)該引腳為低電平，否則為高電平。P0.5_SD_WP就是I/O端口P0.5，用于檢測(cè)SD卡當(dāng)前是否設(shè)置寫保護(hù)．寫保護(hù)時(shí)該引腳為高電平，否則為低電平。P0.6_SD_POWER就是I/O端口P0.6，用于SD卡的供電控制，該引腳輸出低電平時(shí)。給卡供電。否則斷電。這是為了在SD卡進(jìn)入不確定狀態(tài)時(shí)，可以通過對(duì)卡重新上電復(fù)位而無需拔出卡。


3 軟件設(shè)計(jì)
　　軟件設(shè)計(jì)思想是，為了程序的可移植性和易用性。將程序分為三個(gè)層次。第一個(gè)層次是硬件抽象層。第二層是實(shí)現(xiàn)訪問SD卡的命令層，第三層是應(yīng)用層，提供給用戶或文件系統(tǒng)的接口函數(shù)。
　　硬件抽象層包括訪問SD卡的硬件環(huán)境配置、SPI接口實(shí)現(xiàn)通訊的基本函數(shù)以及SPI中斷的處理。硬件環(huán)境配置包括硬件初始　　化、以及內(nèi)存變量初始化等。如將C8051F020的I/O端口配置為SPI接口的相關(guān)設(shè)置、C8051F020的SPI接口性能的設(shè)置、SD卡的上電與斷開、SD卡插入是否到位檢測(cè)、SD卡內(nèi)部寄存器特定參數(shù)設(shè)置等等。又如C8051F020的SPI接口性能的設(shè)置,包括主/從工作方式設(shè)置、SPI通訊頻率設(shè)置等等,這些內(nèi)容都與硬件有關(guān)。SPI接口實(shí)現(xiàn)通訊的基本函數(shù)，包括主控制器向SD卡發(fā)送一字節(jié)和從SD卡讀取一字節(jié)的基本函數(shù)，這是所有SPI通訊的基礎(chǔ)。SPI中斷處理是SPI接口產(chǎn)生中斷時(shí)．中斷服務(wù)程序被自動(dòng)調(diào)用，在中斷服務(wù)程序中，讀取SPI控制寄存器。這里存放著產(chǎn)生中斷的各種狀態(tài)標(biāo)志，根據(jù)不同的狀態(tài)標(biāo)志，調(diào)用不同的函數(shù)處理。
　　命令層，就是調(diào)用硬件抽象層的基本發(fā)送接收字節(jié)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)SD卡所有SPI協(xié)議規(guī)定的命令．完成對(duì)SD卡的訪問。根據(jù)SD卡協(xié)議，訪問SD卡的不同功能，由不同的命令實(shí)現(xiàn)。這些命令分成0—9個(gè)不同的類別．每種類別包括幾個(gè)具體的命令，對(duì)于SPI協(xié)議，每個(gè)命令都由主機(jī)主動(dòng)發(fā)送。高位在前低位在后，SD卡收到命令后．根據(jù)不同的命令做出不同的響應(yīng)。主機(jī)發(fā)送的命令長度總是6個(gè)字節(jié)．命令的格式如表2所示。Command表示命令號(hào)，占用6位，Parameter表示命令參數(shù)，長度為4字節(jié)，不同的命令對(duì)應(yīng)不同的命令參數(shù)值。SD卡的響應(yīng)有4種格式，分別為R1、R1B、R2和R3格式。主機(jī)發(fā)送命令并讀取響應(yīng)形成一個(gè)完整的命令實(shí)現(xiàn)過程。
表2 SPI模式命令格式
字節(jié)6 字節(jié)2～5 字節(jié)1
0 1 Command Parameter(高位在前) CRC 1
　　應(yīng)用層函數(shù)提供客戶程序訪問SD卡的高級(jí)接口函數(shù)．使客戶不需要知道SD卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和命令內(nèi)容、不需要知道SPI的接口協(xié)議等基本內(nèi)容，客戶程序只需要簡單地調(diào)用接口函數(shù)了解SD卡的當(dāng)前狀態(tài)、讀取自己需要的內(nèi)容或?qū)懭胱约旱膬?nèi)容。應(yīng)用層程序是在命令層基礎(chǔ)上的更高抽象，調(diào)用命令層函數(shù)實(shí)現(xiàn)。這些函數(shù)包括讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)、擦除數(shù)據(jù)、返回卡狀態(tài)、返回卡內(nèi)存儲(chǔ)空間使用狀況等函數(shù)。

4 結(jié)論
　　本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)是，將SD卡存儲(chǔ)方式運(yùn)用到飛機(jī)飛行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，簡化了采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，減小了系統(tǒng)尺寸，提高了系統(tǒng)的可靠性，使采集數(shù)據(jù)的讀出變得簡單易行。由于原有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采用8051單片機(jī)作主控制器，本次設(shè)計(jì)選用與8051完全兼容的高性能單片機(jī)C8051F020。既繼承了原有采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，又滿足了訪問SD卡的功能要求，加快了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)程。