MultiMediacard及其與單片機(jī)接口

摘要：ＭultiMediaCard是Ｓandisc公司推出的大容量串行Ｆlash存儲(chǔ)卡，外形尺寸為３２mm×24mm×1.4mm,質(zhì)量小于２g，７針引腳，便于開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)小型的移動(dòng)數(shù)碼設(shè)備。本文重點(diǎn)介紹此類(lèi)存儲(chǔ)器與ＰＩＣ單片機(jī)的接口，給出實(shí)際的電路設(shè)計(jì)和軟件代碼示例。

1 概述

Sandisc公司推出的大大容量串行Flash存儲(chǔ)器產(chǎn)品——MultiMediaCard(MMC)，通常叫作多媒體卡。它的體積比SmartMedia還要小，不怕沖擊，可反復(fù)讀寫(xiě)記錄30萬(wàn)次，驅(qū)動(dòng)電壓2.7～3.6V,可變時(shí)鐘頻率范圍為0～20MHz，目前常見(jiàn)的容量為64MB/128MB。ATP Electrionics公司已經(jīng)率先推出了1GB的高容量MMC。除了體積小、壽命長(zhǎng)、容量大等特性外，還具備存儲(chǔ)區(qū)糾錯(cuò)能力；低功耗；5ms內(nèi)沒(méi)有接收到命令字后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)；支持熱插拔等優(yōu)點(diǎn)。MMC可以格式化為FAT文件系統(tǒng)，便于上位機(jī)讀寫(xiě)。

2 MMC簡(jiǎn)介

2.1 引腳排列及功能

根據(jù)存儲(chǔ)容量的不同，MMC有SMDB和SDMJ兩種構(gòu)成技術(shù)。SMDB即二進(jìn)制NAND技術(shù)（Binary NAND），16MB和32MB容量的MMC卡采用此技術(shù)。目前常用的64MB和128MB的MMC采用SDMJ，即MLC（Multi Level Cell）NAND技術(shù)。各容量的MMC卡，其外形尺寸及引腳排列相同，如圖1所示。

MMC讀寫(xiě)接口可以在MMC和SPI兩種通信 協(xié)議下工作。MMC是由MMCA協(xié)會(huì)開(kāi)發(fā)的高性能三線制通信協(xié)議，即CMD、CLK、DAT線，最大可尋址64000張MMC卡，單個(gè)物理地址可疊放30張卡，支持順序讀寫(xiě)及單/多數(shù)據(jù)塊讀寫(xiě)操作，是MMC卡默認(rèn)的通信協(xié)議。SPI協(xié)議為可選協(xié)議，工作效率不及MMC協(xié)議；但SPI協(xié)議簡(jiǎn)單易用，兼容性好，便于和單片機(jī)連接使用。本設(shè)計(jì)采用SPI通信協(xié)議，下文將詳細(xì)介紹。

    2．2 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

MMC卡的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)可分為四部分：MMC/SPI接口、單芯片控制器、數(shù)據(jù)閃存模塊、控制線和數(shù)據(jù)線。MMC/SPI接口實(shí)現(xiàn)與主控制器的通信。單芯片控制器完成接口協(xié)議、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)檢索、糾錯(cuò)碼算法、故障診斷處理、電源管理和時(shí)鐘控制功能。數(shù)據(jù)內(nèi)存模塊可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)存儲(chǔ)空間內(nèi)的單字節(jié)訪剩??皇羌虻サ淖終罅校??潛環(huán)殖閃碩嘀紙峁埂?12個(gè)字節(jié)構(gòu)成1個(gè)扇區(qū)（sector）。根據(jù)MMC卡容量的不同，16或32個(gè)扇區(qū)構(gòu)成1個(gè)擦除族（erase group）。32個(gè)擦除族構(gòu)成1個(gè)寫(xiě)保護(hù)族（write protect group）。此設(shè)計(jì)使MMC操作靈活，使用方便?？刂凭€和數(shù)據(jù)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的訪問(wèn)，其內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 MMC/SPI通信協(xié)議

MMC卡上電后，默認(rèn)進(jìn)入MMC模式。如果轉(zhuǎn)入SPI模式下工作，需進(jìn)行模式切換。SPI模式設(shè)定流程如圖3所示。

如需從SPI模式轉(zhuǎn)入MMC模式，只能切斷電源，重新上電，進(jìn)入默認(rèn)MMC模式。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，SPI模式設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，操作方便，但數(shù)據(jù)傳輸速率遜于MMC模式。基于設(shè)計(jì)要求，筆者采用了SPI通信協(xié)議。

4 存儲(chǔ)器讀寫(xiě)接口

4．1 SPI接口及操作模式

SPI接口是一種通用同步串行接口總線，字長(zhǎng)為8位，用來(lái)與外部設(shè)備進(jìn)行通信。SPI接口利用CLK、DataIn和DataOut三根線進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。其中，CLK為時(shí)鐘信號(hào)，有外部控制器提供；Datain和DataOut為數(shù)據(jù)輸入和輸出線。CS是MMC片選信號(hào)線，在整個(gè)SPI操作過(guò)程中，必須保持低電平有效信號(hào)。

SPI接口共有四種操作模式，分別為0、1、2和3。SPI操作模式?jīng)Q定了設(shè)備接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的時(shí)鐘相位和極性，即決定了時(shí)鐘信號(hào)的上升和下降沿與數(shù)據(jù)流動(dòng)方向之間的關(guān)系，如圖4所示。本設(shè)計(jì)采用模式3。

4．2 MMC卡命令及答復(fù)信號(hào)

所有MMC卡命令字長(zhǎng)度均為6個(gè)字節(jié)，傳輸從高位開(kāi)始，且包含一個(gè)CRC校驗(yàn)字。

命令字索引采用二進(jìn)制編碼。比如CMD0的索引位是000000，CMD39的索引位是100111。MMC卡命令字分為10個(gè)命令組，每組由多個(gè)命令字組成，完成MMC卡功能設(shè)定。SPI模式下的Sandisc MMC卡支持其中的6個(gè)命令組，可實(shí)現(xiàn)基本設(shè)定、數(shù)據(jù)塊讀、數(shù)據(jù)塊寫(xiě)、擦除、寫(xiě)保護(hù)、MMC卡鎖定功能。

MMC卡有多種應(yīng)答信號(hào)格式，傳輸從高位開(kāi)始。SPI模式下，存在5種應(yīng)答信號(hào)格式，分別為R1、R2、R3、Busy、R1b。

接收到每個(gè)命令后，MMC卡都發(fā)送一個(gè)格式為R1的應(yīng)答信號(hào)，卡狀態(tài)查詢(xún)命令字CMD13除外。此應(yīng)答信號(hào)占1字節(jié)，最高位為0，低7位為錯(cuò)誤標(biāo)志。若某位為1，表示存在相應(yīng)錯(cuò)誤。

Busy應(yīng)答信號(hào)長(zhǎng)度為多個(gè)字節(jié)。各位都為0，表示卡正忙。存在非零位表明卡已經(jīng)準(zhǔn)備好接收下一命令。

R2格式應(yīng)答信號(hào)長(zhǎng)度為2字節(jié)，用于答復(fù)卡狀態(tài)查詢(xún)命令字CMD13。首字節(jié)格式同R1，第2個(gè)字節(jié)表示的錯(cuò)誤類(lèi)型。

R3格式應(yīng)答信號(hào)長(zhǎng)度為5字節(jié)，答復(fù)卡內(nèi)OCR豁口讀命令CMD58。首字節(jié)格式同R1，其余4字節(jié)為OCR豁口內(nèi)容。

R1b格式應(yīng)答信號(hào)包括兩部分，R1格式部分和Busy格式可選附加部分。

4．3 MMC在SPI模式下的傳輸時(shí)序

MMC在SPI協(xié)議下讀寫(xiě)時(shí)序如圖5所示。主控制器發(fā)送讀/寫(xiě)命令，當(dāng)收到OUT傳輸互上正確的應(yīng)答信號(hào)后，OUT/IN傳輸線開(kāi)始讀/寫(xiě)操作。

5 MMC卡與單片機(jī)接口實(shí)例

5．1 硬件電路設(shè)計(jì)

圖6為筆者采用Sandisc公司容量為32MB的MMC卡設(shè)計(jì)的便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的一部分。單片機(jī)采用美國(guó)Microchip公司推出的PIC16F73B。單片機(jī)的工作頻率為4MHZ，采用Port C的硬件SPI接口進(jìn)行MMC卡的讀寫(xiě)操作。

5．2 軟件設(shè)計(jì)

訪問(wèn)MMC卡存儲(chǔ)單元前，需要設(shè)定訪問(wèn)塊長(zhǎng)度。默認(rèn)長(zhǎng)度為512字節(jié)。本設(shè)計(jì)是通過(guò)寫(xiě)緩存芯片F(xiàn)M24CL64，達(dá)到512字節(jié)后轉(zhuǎn)入主存MMC的（硬件電路圖應(yīng)作相應(yīng)的修改），所以讀寫(xiě)長(zhǎng)度不再設(shè)定。MMC格式化為FAT文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)后，數(shù)據(jù)以文件的形式為上位機(jī)所讀取。

MMC接口部分軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

5．3 MMC卡SPI初始化與寫(xiě)子程序

因?yàn)镸MC可以在兩種協(xié)議下工作，且默認(rèn)為MMC操作模式，所以必須經(jīng)過(guò)初始化才能在SPI模式下工作。初始化和寫(xiě)子程序代碼見(jiàn)www.dpj.com.cn。