基于MCF51QE128的SD卡接口設計

1 SD卡標準
    SD卡標準是SD卡協(xié)會針對可移動存儲設備設計專利并授權的一種標準，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模式無疑是一個不錯的選擇。
1．2 SPI模式
    SPI模式是一種簡單的命令響應協(xié)議，主控制器發(fā)出命令后，SD卡針對不S同的命令返回對應的響應。
    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校驗和1位停止位“1”。
    SD卡的每條命令都會返回對應的響應類型。在SPI模式下，共有3種響應類型：R1、R2和R3，分別占1、2和3個字節(jié)。這里僅列出了R1響應的格式，如表2所列。當出現(xiàn)表中所描述的狀態(tài)時，相應的位置1。R2和R3的第1個字節(jié)格式與R1完全一樣，詳細內容請參考SD卡標準。

2 硬件設計
    本設計選用Freescale公司的32位低功耗微控制器MCF51QE128，采用SPI模式實現(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，無需電平轉換電路。這里選用的是MCF51 QE128的第2個SPI口，硬件連接如圖2所示。

3 軟件實現(xiàn)
    軟件部分主要實現(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通信是實現(xiàn)最終讀寫的關鍵。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，因此可以用一個通用的寫命令函數(shù)來實現(xiàn)所有命令的發(fā)送。另外，考慮到多數(shù)命令的響應類型都是R1，這里的通用寫命令函數(shù)所接收的響應類型默認為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時鐘降低到400 kHz，等待至少74個時鐘周期。接著拉低片選信號，并發(fā)送CMD0命令，對SD卡進行復位并使其進入SPI模式，這里需要正確的CRC校驗，校驗字節(jié)為0x95。若SD卡進入空閑狀態(tài)(即接收響應為0x01時)，則發(fā)送CMD1命令，激活卡的初始化過程，此時響應為0x00。然后設置塊的長度，一般為512字節(jié)。最后將片選拉高并將SPI時鐘設為最大值，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)送相應的命令來實現(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。當收到數(shù)據(jù)塊開始標志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卡正確響應后發(fā)送數(shù)據(jù)塊開始標志0xfe，接著發(fā)送512字節(jié)數(shù)據(jù)塊和2字節(jié)CRC校驗。

    寫入數(shù)據(jù)后，SD卡會發(fā)送1字節(jié)的數(shù)據(jù)響應來反饋數(shù)據(jù)寫入的情況，其格式如圖6所示。當數(shù)據(jù)正確寫入SD卡后，數(shù)據(jù)響應為0x05。最后讀數(shù)據(jù)總線，寫數(shù)據(jù)忙時等待，直到總線為高電平。

    寫單塊數(shù)據(jù)的函數(shù)代碼如下：

結 語
    SD卡是目前廣泛應用的可擦除的大容量存儲設備，其接口設計可作為各類嵌入式系統(tǒng)中存儲單元的一般解決方案。本文結合SD卡標準的相關技術，基于MCF51QE128微控制器完成了硬件接口和底層通信軟件的設計。在此基礎上，可進一步構建文件系統(tǒng)，實現(xiàn)對存儲數(shù)據(jù)更有效的管理。