SD卡在單片機(jī)上的應(yīng)用

SD卡在現(xiàn)在的日常生活與工作中使用非常廣泛，時下已經(jīng)成為最為通用的數(shù)據(jù)存儲卡。在諸如MP3、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備上也都采用SD卡作為其存儲設(shè)備。SD卡之所以得到如此廣泛的使用，是因?yàn)樗鼉r格低廉、存儲容量大、使用方便、通用性與安全性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。既然它有著這么多優(yōu)點(diǎn)，那么如果將它加入到單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)中來，將使系統(tǒng)變得更加出色。這就要求對SD卡的硬件與讀寫時序進(jìn)行研究。對于SD卡的硬件結(jié)構(gòu)，在官方的文檔上有很詳細(xì)的介紹，如SD卡內(nèi)的存儲器結(jié)構(gòu)、存儲單元組織方式等內(nèi)容。要實(shí)現(xiàn)對它的讀寫，最核心的是它的時序，筆者在經(jīng)過了實(shí)際的測試后，使用51單片機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了對SD卡的扇區(qū)讀寫，并對其讀寫速度進(jìn)行了評估。下面先來講解SD卡的讀寫時序。

（1） SD卡的引腳定義

SD卡引腳功能詳述：

注：S：電源供給 I：輸入 O：采用推拉驅(qū)動的輸出

PP：采用推拉驅(qū)動的輸入輸出

SD卡SPI模式下與單片機(jī)的連接圖：

SD卡支持兩種總線方式：SD方式與SPI方式。其中SD方式采用6線制，使用CLK、CMD、DAT0~DAT3進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。而SPI方式采用4線制，使用CS、CLK、DataIn、DataOut進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。SD方式時的數(shù)據(jù)傳輸速度與SPI方式要快，采用單片機(jī)對SD卡進(jìn)行讀寫時一般都采用SPI模式。采用不同的初始化方式可以使SD卡工作于SD方式或SPI方式。這里只對其SPI方式進(jìn)行介紹。

（2）SPI方式驅(qū)動SD卡的方法

SD卡的SPI通信接口使其可以通過SPI通道進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。從應(yīng)用的角度來看，采用SPI接口的好處在于，很多單片機(jī)內(nèi)部自帶SPI控制器，不光給開發(fā)上帶來方便，同時也見降低了開發(fā)成本。然而，它也有不好的地方，如失去了SD卡的性能優(yōu)勢，要解決這一問題，就要用SD方式，因?yàn)樗峁└蟮目偩€數(shù)據(jù)帶寬。SPI接口的選用是在上電初始時向其寫入第一個命令時進(jìn)行的。以下介紹SD卡的驅(qū)動方法，只實(shí)現(xiàn)簡單的扇區(qū)讀寫。

1） 命令與數(shù)據(jù)傳輸

1. 命令傳輸

SD卡自身有完備的命令系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)操作。命令格式如下：

命令的傳輸過程采用發(fā)送應(yīng)答機(jī)制，過程如下：

每一個命令都有自己命令應(yīng)答格式。在SPI模式中定義了三種應(yīng)答格式，如下表所示：

寫命令的例程：

//-------------------------------------------------------------------------
向SD卡中寫入命令，并返回回應(yīng)的第二個字節(jié) 
//-------------------------------------------------------------------------
unsigned char Write_Command_SD(unsigned char *CMD) 
{ 
    unsigned char tmp; 
    unsigned char retry=0; 
    unsigned char i; 
    //禁止SD卡片選
    SPI_CS=1; 
    //發(fā)送8個時鐘信號
    Write_Byte_SD(0xFF); 
    //使能SD卡片選
    SPI_CS=0; 
    //向SD卡發(fā)送6字節(jié)命令
    for (i=0;i<0x06;i++) 
    { 
        Write_Byte_SD(*CMD++); 
    } 
    //獲得16位的回應(yīng)
    Read_Byte_SD(); //read the first byte,ignore it.
    do 
    { //讀取后8位
        tmp = Read_Byte_SD(); 
        retry++; 
    } 
    while((tmp==0xff)&&(retry<100)); 
    return(tmp); 
} 

2） 初始化

SD卡的初始化是非常重要的，只有進(jìn)行了正確的初始化，才能進(jìn)行后面的各項(xiàng)操作。在初始化過程中，SPI的時鐘不能太快，否則會造初始化失敗。在初始化成功后，應(yīng)盡量提高SPI的速率。在剛開始要先發(fā)送至少74個時鐘信號，這是必須的。在很多讀者的實(shí)驗(yàn)中，很多是因?yàn)槭韬隽诉@一點(diǎn)，而使初始化不成功。隨后就是寫入兩個命令CMD0與CMD1，使SD卡進(jìn)入SPI模式

初始化時序圖：

初始化例程：

//----------------------------------------------------------
初始化SD卡到SPI模式 
//----------------------------------------------------------
unsigned char SD_Init() 
{ 
    unsigned char retry,temp; 
    unsigned char i; 
    unsigned char CMD[] = {0x40,0x00,0x00,0x00,0x00,0x95}; 
    SD_Port_Init(); //初始化驅(qū)動端口
    Init_Flag=1; //將初始化標(biāo)志置1
    for (i=0;i<0x0f;i++) 
    { 
        Write_Byte_SD(0xff); //發(fā)送至少74個時鐘信號
    } 
    //向SD卡發(fā)送CMD0
    retry=0; 
    do 
    { //為了能夠成功寫入CMD0,在這里寫200次
        temp=Write_Command_SD(CMD); 
        retry++; 
        if(retry==200) 
        { //超過200次
            return(INIT_CMD0_ERROR); //CMD0 Error!
        } 
    } 
    while(temp!=1); //回應(yīng)01h，停止寫入
    //發(fā)送CMD1到SD卡
    CMD[0] = 0x41; //CMD1
    CMD[5] = 0xFF; 
    retry=0; 
    do 
    { //為了能成功寫入CMD1,寫100次
        temp=Write_Command_SD(CMD); 
        retry++; 
        if(retry==100) 
        { //超過100次
            return(INIT_CMD1_ERROR); //CMD1 Error!
        } 
    } 
    while(temp!=0); //回應(yīng)00h停止寫入
    Init_Flag=0; //初始化完畢，初始化標(biāo)志清零
    SPI_CS=1; //片選無效
    return(0); //初始化成功
} 

3） 讀取CID

CID寄存器存儲了SD卡的標(biāo)識碼。每一個卡都有唯一的標(biāo)識碼。

CID寄存器長度為128位。它的寄存器結(jié)構(gòu)如下：

它的讀取時序如下：

與此時序相對應(yīng)的程序如下：

//------------------------------------------------------------
讀取SD卡的CID寄存器  16字節(jié)  成功返回0 
//------------------------------------------------------------
unsigned char Read_CID_SD(unsigned char *Buffer) 
{ 
    //讀取CID寄存器的命令
    unsigned char CMD[] = {0x4A,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF}; 
    unsigned char temp; 
    temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16); //read 16 bytes
    return(temp); 
} 

4）讀取CSD

CSD（Card-Specific Data）寄存器提供了讀寫SD卡的一些信息。其中的一些單元可以由用戶重新編程。具體的CSD結(jié)構(gòu)如下：

讀取CSD 的時序：

相應(yīng)的程序例程如下：

//-------------------------------------------------------------------
讀SD卡的CSD寄存器  共16字節(jié)  返回0說明讀取成功 
//-------------------------------------------------------------------
unsigned char Read_CSD_SD(unsigned char *Buffer) 
{ 
    //讀取CSD寄存器的命令
    unsigned char CMD[] = {0x49,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF}; 
    unsigned char temp; 
    temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16); //read 16 bytes
    return(temp); 
} 
4） 讀取SD卡信息 
綜合上面對CID與CSD寄存器的讀取，可以知道很多關(guān)于SD卡的信息，以下程序可以獲取這些信息。如下： 
//----------------------------------------------------------------------
//返回
// SD卡的容量，單位為M
// sector count and multiplier MB are in
u08 == C_SIZE / (2^(9-C_SIZE_MULT)) 
// SD卡的名稱
//----------------------------------------------------------------------
void SD_get_volume_info() 
{ 
    unsigned char i; 
    unsigned char c_temp[5]; 
    VOLUME_INFO_TYPE SD_volume_Info,*vinf; 
    vinf=&SD_volume_Info; //Init the pointoer;
    /讀取CSD寄存器 
    Read_CSD_SD(sectorBuffer.dat); 
    //獲取總扇區(qū)數(shù)
    vinf->sector_count = sectorBuffer.dat[6] & 0x03; 
    vinf->sector_count <<= 8; 
    vinf->sector_count += sectorBuffer.dat[7]; 
    vinf->sector_count <<= 2; 
    vinf->sector_count += (sectorBuffer.dat[8] & 0xc0) >> 6; 
    // 獲取multiplier
    vinf->sector_multiply = sectorBuffer.dat[9] & 0x03; 
    vinf->sector_multiply <<= 1; 
    vinf->sector_multiply += (sectorBuffer.dat[10] & 0x80) >> 7; 
    //獲取SD卡的容量
    vinf->size_MB = vinf->sector_count >> (9-vinf->sector_multiply); 
    // get the name of the card
    Read_CID_SD(sectorBuffer.dat); 
    vinf->name[0] = sectorBuffer.dat[3]; 
    vinf->name[1] = sectorBuffer.dat[4]; 
    vinf->name[2] = sectorBuffer.dat[5]; 
    vinf->name[3] = sectorBuffer.dat[6]; 
    vinf->name[4] = sectorBuffer.dat[7]; 
    vinf->name[5] = 0x00; //end flag
} 
以上程序?qū)⑿畔⒀b載到一個結(jié)構(gòu)體中，這個結(jié)構(gòu)體的定義如下： 
typedef struct SD_VOLUME_INFO 
{ //SD/SD Card info
    unsigned int size_MB; 
    unsigned char sector_multiply; 
    unsigned int sector_count; 
    unsigned char name[6]; 
} VOLUME_INFO_TYPE; 

5） 扇區(qū)讀

扇區(qū)讀是對SD卡驅(qū)動的目的之一。SD卡的每一個扇區(qū)中有512個字節(jié)，一次扇區(qū)讀操作將把某一個扇區(qū)內(nèi)的512個字節(jié)全部讀出。過程很簡單，先寫入命令，在得到相應(yīng)的回應(yīng)后，開始數(shù)據(jù)讀取。

扇區(qū)讀的時序：

扇區(qū)讀的程序例程：

unsigned char SD_Read_Sector(unsigned long sector,unsigned char *buffer) 
{ 
    unsigned char retry; 
    //命令16
    unsigned char CMD[] = {0x51,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF}; 
    unsigned char temp; 
    //地址變換  由邏輯塊地址轉(zhuǎn)為字節(jié)地址
    sector = sector << 9; //sector = sector * 512
    CMD[1] = ((sector & 0xFF000000) >>24 ); 
    CMD[2] = ((sector & 0x00FF0000) >>16 ); 
    CMD[3] = ((sector & 0x0000FF00) >>8 ); 
    //將命令16寫入SD卡
    retry=0; 
    do 
    { //為了保證寫入命令 一共寫100次
        temp=Write_Command_MMC(CMD); 
        retry++; 
        if(retry==100) 
        { 
            return(READ_BLOCK_ERROR); //block write Error!
        } 
    } 
    while(temp!=0); 
    //Read Start Byte form MMC/SD-Card (FEh/Start Byte)
    //Now data is ready,you can read it out.
    while (Read_Byte_MMC() != 0xfe); 
    readPos=0; 
    SD_get_data(512,buffer) ; //512字節(jié)被讀出到buffer中
    return 0; 
} 
其中SD_get_data函數(shù)如下： 
//---------------------------------------------------------
獲取數(shù)據(jù)到buffer中 
//---------------------------------------------------------
void SD_get_data(unsigned int Bytes,unsigned char *buffer) 
{ 
    unsigned int j; 
    for (j=0;j<Bytes;j++) 
    *buffer++ = Read_Byte_SD(); 
} 

6） 扇區(qū)寫

扇區(qū)寫是SD卡驅(qū)動的另一目的。每次扇區(qū)寫操作將向SD卡的某個扇區(qū)中寫入512個字節(jié)。過程與扇區(qū)讀相似，只是數(shù)據(jù)的方向相反與寫入命令不同而已。

扇區(qū)寫的時序：

扇區(qū)寫的程序例程：

//-----------------------------------------------------------------
寫512個字節(jié)到SD卡的某一個扇區(qū)中去  返回0說明寫入成功 
//-----------------------------------------------------------------
unsigned char SD_write_sector(unsigned long addr,unsigned char *Buffer) 
{ 
    unsigned char tmp,retry; 
    unsigned int i; 
    //命令24
    unsigned char CMD[] = {0x58,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF}; 
    addr = addr << 9; //addr = addr * 512
    CMD[1] = ((addr & 0xFF000000) >>24 ); 
    CMD[2] = ((addr & 0x00FF0000) >>16 ); 
    CMD[3] = ((addr & 0x0000FF00) >>8 ); 
    //寫命令24到SD卡中去
    retry=0; 
    do 
    { //為了可靠寫入，寫100次
        tmp=Write_Command_SD(CMD); 
        retry++; 
        if(retry==100) 
        { 
            return(tmp); //send commamd Error!
        } 
    } 
    while(tmp!=0); 
    //在寫之前先產(chǎn)生100個時鐘信號
    for (i=0;i<100;i++) 
    { 
        Read_Byte_SD(); 
    } 
    //寫入開始字節(jié)
    Write_Byte_MMC(0xFE); 
    //現(xiàn)在可以寫入512個字節(jié)
    for (i=0;i<512;i++) 
    { 
        Write_Byte_MMC(*Buffer++); 
    } 
    //CRC-Byte
    Write_Byte_MMC(0xFF); //Dummy CRC
    Write_Byte_MMC(0xFF); //CRC Code
    tmp=Read_Byte_MMC(); // read response
    if((tmp & 0x1F)!=0x05) // 寫入的512個字節(jié)是未被接受
    { 
        SPI_CS=1; 
        return(WRITE_BLOCK_ERROR); //Error!
    } 
    //等到SD卡不忙為止
    //因?yàn)閿?shù)據(jù)被接受后，SD卡在向儲存陣列中編程數(shù)據(jù)
    while (Read_Byte_MMC()!=0xff){}; 
    //禁止SD卡
    SPI_CS=1; 
    return(0); //寫入成功
} 

此上內(nèi)容在筆者的實(shí)驗(yàn)中都已調(diào)試通過。單片機(jī)采用STC89LE單片機(jī)（SD卡的初始化電壓為2.0V~3.6V，操作電壓為3.1V~3.5V，因此不能用5V單片機(jī)，或進(jìn)行分壓處理），工作于22.1184M的時鐘下，由于所采用的單片機(jī)中沒硬件SPI，采用軟件模擬SPI，因此讀寫速率都較慢。如果要半SD卡應(yīng)用于音頻、視頻等要求高速場合，則需要選用有硬件SPI的控制器，或使用SD模式，當(dāng)然這就需要各位讀者對SD模式加以研究，有了SPI模式的基礎(chǔ)，SD模式應(yīng)該不是什么難事。