SD卡接口設(shè)計(jì)[附硬件電路和程序]
1 SD卡標(biāo)準(zhǔn)
SD卡標(biāo)準(zhǔn)是SD卡協(xié)會針對可移動存儲設(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
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。
SD模式多用于對SD卡讀寫速度要求較高的場合,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,硬件連接相對簡單,因此,在對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模式是一種簡單的命令響應(yīng)協(xié)議,主控制器發(fā)出命令后,SD卡針對不S同的命令返回對應(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。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”。
SD卡的每條命令都會返回對應(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MCF51 QE128的第2個(gè)SPI口,硬件連接如圖2所示。
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:
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,分別對應(yīng)于8位、16位和32位數(shù)據(jù)。代碼如下:
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:
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,并發(fā)送CMD0命令,對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。
SD卡初始化代碼如下:
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。
讀單塊數(shù)據(jù)的函數(shù)代碼如下:
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)。
寫入數(shù)據(jù)后,SD卡會發(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。
寫單塊數(shù)據(jù)的函數(shù)代碼如下:
結(jié) 語
SD卡是目前廣泛應(yīng)用的可擦除的大容量存儲設(shè)備,其接口設(shè)計(jì)可作為各類嵌入式系統(tǒng)中存儲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)對存儲數(shù)據(jù)更有效的管理。
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