dsPIC33F系列DSC的 SD存儲卡接口設(shè)計(jì)

引 言
    SD存儲卡(Secure Digital Memory Card)由SD聯(lián)盟(松下、東芝及美國SanDisk公司)于1999年8月共同開發(fā)研制，是一種基于半導(dǎo)體快閃存儲器的新一代存儲設(shè)備，被廣泛地使用在便攜式裝置上，例如數(shù)碼相機(jī)、PDA和多媒體播放器等。大小猶如一張郵票的SD存儲卡，重量只有2g，卻擁有高存儲容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性。
    SD卡支持SD和SPI兩種傳輸模式，主機(jī)系統(tǒng)可以選擇其中任意一種模式。SD模式允許4線的高速數(shù)據(jù)傳輸。SPI模式使用通用的SPI接口。這種模式相對于SD模式的不足之處是喪失了速度，但是卻有著接口簡單易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。SD卡的SPI模式使得SD卡可以和市場上大部分微控制器進(jìn)行通信。
    Microchip公司的dsPIC33F系列通用DSC(數(shù)字信號控制器)，是在16位MCU架構(gòu)基礎(chǔ)之上添加了DSP引擎，從而具有數(shù)字信號處理功能的微控制器產(chǎn)品。該系列DSC集成了DCI(數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器)接口，尤其適用于語音和音頻的應(yīng)用。
    本文首先簡要介紹SD卡的相關(guān)規(guī)范，之后利用dsPIC33FJ64GP706通用DSC設(shè)計(jì)了SD卡接口電路，最后通過SPI模式實(shí)現(xiàn)了對SD卡的基本操作。本設(shè)計(jì)可以使SD存儲卡成為類似嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)存儲器。

1 SD卡相關(guān)規(guī)范簡介
    SD聯(lián)盟在2000年聯(lián)合發(fā)布了SD卡規(guī)范1．O版本，包括3個部分：物理層規(guī)范，文件系統(tǒng)規(guī)范以及安全規(guī)范。SD卡規(guī)范V1．0采用FAT的文件系統(tǒng)，因此最大存儲容量可以達(dá)到2 GB。2006年，SD卡規(guī)范V2．0發(fā)布。新規(guī)范根據(jù)容量定義了兩種卡，即標(biāo)準(zhǔn)容量SD卡和大容量SD卡。前者和1．O版本保持兼容，后者由于采用了FAT32文件系統(tǒng)，存儲容量突破了2 GB的限制。新規(guī)范定義的最大容量為32 GB。但是由于成本的原因，標(biāo)準(zhǔn)容量SD卡仍然是市場的主流產(chǎn)品。在以微控制器為核心的嵌入式系統(tǒng)中，主要使用SD卡的SPI。模式進(jìn)行通信，這使得標(biāo)準(zhǔn)容量的SD卡更為合適。本設(shè)計(jì)適用于2GB以下任意容量的SD卡。
1．1 概 述
    SD存儲卡在2．7～3．6 V電壓下正常工作，工作頻率為0～25MHz。圖1是普通SD卡的外形和引腳排列。在SPI模式時，第8和第9腳不使用。表1列出了各引腳在SPI模式時的定義和功能描述。

    圖中的WP是一個機(jī)械滑片，通過滑動到不同的位置來對SD卡進(jìn)行寫保護(hù)。
    SD卡內(nèi)部有6個和接口相關(guān)的寄存器：OCR、CID、CSD、RCA、DSR和SCR。它們只能通過各自對應(yīng)的指令來訪問。OCR、CID、CSD和SCR攜帶SD卡的規(guī)范信息，RCA和DSR作為配置寄存器裝載了SD卡的配置參數(shù)。
1．2 SPI協(xié)議
    系統(tǒng)上電之后，如果主機(jī)在將CS線聲明為低電平的同時發(fā)送復(fù)位指令(CMDO)，則SPI模式啟用。SD卡在SPI模式下按字節(jié)進(jìn)行通信，每一個指令和數(shù)據(jù)塊都由數(shù)個字節(jié)組成并與CS信號對齊(也就是長度為8個時鐘周期的整數(shù)倍)。
    主機(jī)和SD卡之間是通過指令與響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)交互的。
    圖2給出了SPI模式下基本的指令與響應(yīng)的時序。

    圖中一個方格代表一個字節(jié)，H為邏輯全“1”，L為邏輯全“O”，X代表未知，Z為高阻態(tài)。NCS、NEC和NCR都是包含N個8時鐘周期，具體N的取值范圍在SD卡規(guī)范中給出了詳細(xì)的說明。
    SD卡所有的指令，長度都是6字節(jié)。表2列出了指令格式。

    在有效接收到主機(jī)發(fā)來的指令之后，SD卡將會把對應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)段放在總線上，主機(jī)根據(jù)響應(yīng)的內(nèi)容判斷SD卡的狀態(tài)。所有的響應(yīng)都是MSB優(yōu)先傳輸。SD卡有4種類型的響應(yīng)格式，分別為R1、R1b、R2、R3。
    除了SEND_STATUS和READ_OCR指令外，其他指令的響應(yīng)都是格式R1。格式R1的長度為1字節(jié)，并且最高位總是0。其余每位均是錯誤指示，在指令接收過程中發(fā)生了什么樣的錯誤，對應(yīng)的錯誤位就會是“1”。R1b和R1具有相同的格式，它將伴隨一個附加的busy信號。busy信號的長度可以是任意個字節(jié)。全零表示卡處在“忙”的狀態(tài)。格式R2的長度為2字節(jié)，它是指令SEND_STATUS的響應(yīng)。它的高字節(jié)和R1相同，低字節(jié)同樣作為狀態(tài)指示。當(dāng)接收到了READ_OCR指令時，SD卡將會產(chǎn)生格式R3的響應(yīng)，該響應(yīng)的長度為5字節(jié)。最高字節(jié)和R1相同，其余的4字節(jié)將包含SD卡的OCR寄存器信息。
    在SD卡規(guī)范中詳細(xì)描述了每條指令的格式內(nèi)容及作用，并給出了各條指令所對應(yīng)的響應(yīng)。對于每種響應(yīng)的信息也有詳細(xì)的說明，具體信息參閱參考文獻(xiàn)。

2 SD卡接口電路設(shè)計(jì)
    16位的dsPIC33F系列DSC具有高達(dá)40 MIPS的指令周期，繼承了Microchip公司之前8位和16位MCU產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，并保持著對以往低成本開發(fā)系統(tǒng)的兼容性。dsPIC33FJ64GP706是其中一款64引腳的通用產(chǎn)品，擁有高達(dá)64 KB的Flash程序存儲器和16 KB的數(shù)據(jù)存儲器。該芯片集成了2個通用SPI接口，本設(shè)計(jì)使用SPI2模塊來建立和SD存儲卡的通信。
    圖3所示為dsPIC33FJ64GP706與SD卡座的接口電路。為了防止在無卡接入或卡驅(qū)動器呈高阻態(tài)時總線懸空，在每根信號線上要接一個上拉電阻，根據(jù)SD卡規(guī)范(見參考文獻(xiàn)，第6章)，電阻的阻值可以取10～90kΩ?？ㄗ腃D引腳是SD卡檢測信號引腳，當(dāng)有卡插入時，該引腳對地短路。WP是寫保護(hù)信號引腳，在卡插入且沒有寫保護(hù)時，該引腳對地短路；如果SD卡寫保護(hù)或沒有卡插入，該引腳通過上拉電阻接到電源正極。

3 SD卡接口的實(shí)現(xiàn)
3．1 選擇SD卡的SPI模式并初始化SD卡
    在上電之后，主機(jī)開始發(fā)送時鐘信號，此時的時鐘頻率不能超過400 kHz。主機(jī)要連續(xù)發(fā)送至少74個時鐘周期的“1”才能使SD卡準(zhǔn)備好通信，然后選擇SPI模式。SD卡進(jìn)入SPI模式之后，就可以接收來自主機(jī)的操作指令了。這時候主機(jī)發(fā)送SEND_OP_COND指令，激活卡的初始化過程。在得到正確的響應(yīng)之后，主機(jī)再發(fā)送SEND_CSD指令讀取CSD寄存器的內(nèi)容。正確響應(yīng)之后，將SPI總線時鐘頻率提高到10 MHz，初始化過程結(jié)束。
3．2 指令和響應(yīng)交互過程的軟件實(shí)現(xiàn)

    typSD_CMD是自定義的結(jié)構(gòu)類型，包含指令索引、CRC和響應(yīng)格式。最后一個字節(jié)數(shù)據(jù)用來說明該指令有無后續(xù)數(shù)據(jù)塊，例如READ_SINGLE_BLOCK(單數(shù)據(jù)塊讀指令)，它需要SD卡發(fā)送一個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)，因此其后的數(shù)據(jù)為“1”。對于指令索引，是把開始位和傳輸位與6位索引值包含在一起的數(shù)據(jù)。例如G0_IDLE_STATE的索引值是二進(jìn)制“000000”，加上開始位“O”和傳輸位“1”，成為“01000000”，即“Ox40”，READ_SINGLE_BLOCK的索引值是“010001”，加上開始位和傳輸位，成為“01010001”即"0x51”。
    定義發(fā)送指令函數(shù)為SendSDCmd()，返回值為從總線上讀取的響應(yīng)數(shù)據(jù)。(具體函數(shù)略——編者注)函數(shù)的第一個參數(shù)是指令列表數(shù)組中相應(yīng)指令元素的序號，函數(shù)會根據(jù)它的值在指令表中查到對應(yīng)的信息，第二個參數(shù)是指令的附加內(nèi)容。函數(shù)中CMD_PACKET是按指令格式(見表2)定義的聯(lián)合類型，程序通過查表的方式將指令的內(nèi)容裝載到該類型定義的變量中，并通過函數(shù)Write_sd()發(fā)送出去。write_sd()的作用是把一個字節(jié)的數(shù)據(jù)放到SPI2模塊的burfer里，完成一個字節(jié)的發(fā)送。函數(shù)ReadSd()用來讀取SPI2接收的一個字節(jié)數(shù)據(jù)。如果接收的數(shù)據(jù)是0xff，則不是響應(yīng)數(shù)據(jù)；如果接收到的響應(yīng)不為全零，則說明有錯誤發(fā)生。
    以上程序按照圖2所示時序執(zhí)行，來實(shí)現(xiàn)一次指令和響應(yīng)數(shù)據(jù)的交互。當(dāng)某條指令有后續(xù)數(shù)據(jù)時，按照規(guī)范中的時序發(fā)送或者讀取數(shù)據(jù)。
3．3 讀寫操作的實(shí)現(xiàn)
    READ_SINGLE_BLOCK是單數(shù)據(jù)塊讀指令，在接收到有效的讀指令后SD卡將會送出一個響應(yīng)。緊接著是一個帶16位CRC校驗(yàn)后綴的數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊的長度要在之前由SET_BLOCKEN(CMDl6)指令定義，一般為512字節(jié)，正好一個扇區(qū)的大小。數(shù)據(jù)塊的開始是1字節(jié)的開始令牌，值為“0xFE”，結(jié)束是2字節(jié)的CRC。該操作的通信過程如圖4所示。

    WRITE_SINGLE_BLOCK是單數(shù)據(jù)寫操作指令，在接收到主機(jī)傳來的數(shù)據(jù)后，SD卡會發(fā)送一個值為0x5的數(shù)據(jù)響應(yīng)，之后進(jìn)入busy狀態(tài)。該操作的通信過程如圖5所示。

    按照以上通信過程編寫程序，單數(shù)據(jù)塊讀和寫的程序流程如圖6所示。

4 結(jié)果驗(yàn)證
    將容量為1 GB的SD卡插入SD讀卡器，再將讀卡器插入PC機(jī)的USB接口中，此時系統(tǒng)出現(xiàn)“可移動磁盤(H：)”根目錄。打開winhex軟件，點(diǎn)擊“工具”下拉菜單中的“打開磁盤”，選擇“物理磁盤”中的“RMl：Ceneric STORAGE DEVICE(O．9G，USB)”，單擊“確定”按鈕，得到該SD卡第一個物理扇區(qū)的數(shù)據(jù)。該SD卡在偏移量從446開始的16個字節(jié)有數(shù)據(jù)“00 03 3D 00 06 OD ED DB F9 00 00 OO 07 5F 1E 00”，該扇區(qū)結(jié)束的兩個字節(jié)為“55AA”，其余部分?jǐn)?shù)據(jù)均為“00”。
    將SD卡取出，插入本設(shè)計(jì)電路的SD卡座中，用示波器連接D0、CLK和DI線，接通電源，測量SPI總線上的波形。
    本設(shè)計(jì)利用dsPIC33FJ64GP706的SPI接口實(shí)現(xiàn)了對SD存儲卡的操作，可以把SD卡和dsPIC33F系列DSC兩方面的優(yōu)點(diǎn)集中到一個嵌入式系統(tǒng)中，有較高的利用價值。