SD存儲卡(Secure Digital Memory Card)由SD聯盟(松下、東芝及美國SanDisk公司)于1999年8月共同開發(fā)研制，是一種基于半導體快閃存儲器的新一代存儲設備，被廣泛地使用在便攜式裝置上，例如數碼相機、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、快速數據傳輸率、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線的高速數據傳輸。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現的優(yōu)點。SD卡的SPI模式使得SD卡可以和市場上大部分微控制器進行通信。
Microchip公司的dsPIC33F系列通用DSC(數字信號控制器)，是在16位MCU架構基礎之上添加了DSP引擎，從而具有數字信號處理功能的微控制器產品。該系列DSC集成了DCI(數據轉換器)接口，尤其適用于語音和音頻的應用。
本文首先簡要介紹SD卡的相關規(guī)范，之后利用dsPIC33FJ64GP706通用DSC設計了SD卡接口電路，最后通過SPI模式實現了對SD卡的基本操作。本設計可以使SD存儲卡成為類似嵌入式系統(tǒng)產品的數據存儲器。
1 SD卡相關規(guī)范簡介
SD聯盟在2000年聯合發(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到2 GB。2006年，SD卡規(guī)范V2．0發(fā)布。新規(guī)范根據容量定義了兩種卡，即標準容量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，標準容量SD卡仍然是市場的主流產品。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。模式進行通信，這使得標準容量的SD卡更為合適。本設計適用于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是一個機械滑片，通過滑動到不同的位置來對SD卡進行寫保護。
SD卡內部有6個和接口相關的寄存器：OCR、CID、CSD、RCA、DSR和SCR。它們只能通過各自對應的指令來訪問。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。
1．2 SPI協議
系統(tǒng)上電之后，如果主機在將CS線聲明為低電平的同時發(fā)送復位指令(CMDO)，則SPI模式啟用。SD卡在SPI模式下按字節(jié)進行通信，每一個指令和數據塊都由數個字節(jié)組成并與CS信號對齊(也就是長度為8個時鐘周期的整數倍)。
主機和SD卡之間是通過指令與響應來實現交互的。
圖2給出了SPI模式下基本的指令與響應的時序。
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。
在有效接收到主機發(fā)來的指令之后，SD卡將會把對應的響應數據段放在總線上，主機根據響應的內容判斷SD卡的狀態(tài)。所有的響應都是MSB優(yōu)先傳輸。SD卡有4種類型的響應格式，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。它的高字節(jié)和R1相同，低字節(jié)同樣作為狀態(tài)指示。當接收到了READ_OCR指令時，SD卡將會產生格式R3的響應，該響應的長度為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)范中詳細描述了每條指令的格式內容及作用，并給出了各條指令所對應的響應。對于每種響應的信息也有詳細的說明，具體信息參閱參考文獻。
2 SD卡接口電路設計
16位的dsPIC33F系列DSC具有高達40 MIPS的指令周期，繼承了Microchip公司之前8位和16位MCU產品的優(yōu)點，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引腳的通用產品，擁有高達64 KB的Flash程序存儲器和16 KB的數據存儲器。該芯片集成了2個通用SPI接口，本設計使用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SD卡規(guī)范(見參考文獻，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，當有卡插入時，該引腳對地短路。WP是寫保護信號引腳，在卡插入且沒有寫保護時，該引腳對地短路；如果SD卡寫保護或沒有卡插入，該引腳通過上拉電阻接到電源正極。
3 SD卡接口的實現
3．1 選擇SD卡的SPI模式并初始化SD卡
在上電之后，主機開始發(fā)送時鐘信號，此時的時鐘頻率不能超過400 kHz。主機要連續(xù)發(fā)送至少74個時鐘周期的“1”才能使SD卡準備好通信，然后選擇SPI模式。SD卡進入SPI模式之后，就可以接收來自主機的操作指令了。這時候主機發(fā)送SEND_OP_COND指令，激活卡的初始化過程。在得到正確的響應之后，主機再發(fā)送SEND_CSD指令讀取CSD寄存器的內容。正確響應之后，將SPI總線時鐘頻率提高到10 MHz，初始化過程結束。
3．2 指令和響應交互過程的軟件實現
typSD_CMD是自定義的結構類型，包含指令索引、CRC和響應格式。最后一個字節(jié)數據用來說明該指令有無后續(xù)數據塊，例如READ_SINGLE_BLOCK(單數據塊讀指令)，它需要SD卡發(fā)送一個數據塊的數據，因此其后的數據為“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據。例如G0_IDLE_STATE的索引值是二進制“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)送指令函數為SendSDCmd()，返回值為從總線上讀取的響應數據。(具體函數略——編者注)函數的第一個參數是指令列表數組中相應指令元素的序號，函數會根據它的值在指令表中查到對應的信息，第二個參數是指令的附加內容。函數中CMD_PACKET是按指令格式(見表2)定義的聯合類型，程序通過查表的方式將指令的內容裝載到該類型定義的變量中，并通過函數Write_sd()發(fā)送出去。write_sd()的作用是把一個字節(jié)的數據放到SPI2模塊的burfer里，完成一個字節(jié)的發(fā)送。函數ReadSd()用來讀取SPI2接收的一個字節(jié)數據。如果接收的數據是0xff，則不是響應數據；如果接收到的響應不為全零，則說明有錯誤發(fā)生。
以上程序按照圖2所示時序執(zhí)行，來實現一次指令和響應數據的交互。當某條指令有后續(xù)數據時，按照規(guī)范中的時序發(fā)送或者讀取數據。
3．3 讀寫操作的實現
READ_SINGLE_BLOCK是單數據塊讀指令，在接收到有效的讀指令后SD卡將會送出一個響應。緊接著是一個帶16位CRC校驗后綴的數據塊，數據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。數據塊的開始是1字節(jié)的開始令牌，值為“0xFE”，結束是2字節(jié)的CRC。該操作的通信過程如圖4所示。
WRITE_SINGLE_BLOCK是單數據寫操作指令，在接收到主機傳來的數據后，SD卡會發(fā)送一個值為0x5的數據響應，之后進入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，單數據塊讀和寫的程序流程如圖6所示。
4 結果驗證
將容量為1 GB的SD卡插入SD讀卡器，再將讀卡器插入PC機的USB接口中，此時系統(tǒng)出現“可移動磁盤(H：)”根目錄。打開winhex軟件，點擊“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)的數據。該SD卡在偏移量從446開始的16個字節(jié)有數據“00 03 3D 00 06 OD ED DB F9 00 00 OO 07 5F 1E 00”，該扇區(qū)結束的兩個字節(jié)為“55AA”，其余部分數據均為“00”。
將SD卡取出，插入本設計電路的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。
本設計利用dsPIC33FJ64GP706的SPI接口實現了對SD存儲卡的操作，可以把SD卡和dsPIC33F系列DSC兩方面的優(yōu)點集中到一個嵌入式系統(tǒng)中，有較高的利用價值。
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