SPI模式下MCU對(duì)SD卡的控制及操作命令

一、前言

SD 卡有兩個(gè)可選的通訊協(xié)議：SD 模式和 SPI模式 SD 模式是SD 卡標(biāo)準(zhǔn)的讀寫方式，但是在選用SD 模式時(shí)，往往需要選擇帶有SD 卡控制器接口的 MCU，或者必須加入額外的SD卡控制單元以支持SD 卡的讀寫 然而，大多數(shù)MCU都沒有集成SD 卡控制器接口，若選用SD 模式通訊就無形中增加了產(chǎn)品的硬件成本。在SD卡數(shù)據(jù)讀寫時(shí)間要求不是很嚴(yán)格的情況下， 選用 SPI模式可以說是一種最佳的解決方案 因?yàn)樵?SPI模式下，通過四條線就可以完成所有的數(shù)據(jù)交換，并且目前市場(chǎng)上很多MCU都集成 有現(xiàn)成的SPI接口電路，采用 SPI模式對(duì) SD卡進(jìn)行讀寫操作可大大簡化硬件電路的設(shè)計(jì)

二、硬件電路實(shí)現(xiàn)

以NXP的LPC2210 ARM7MCU為例，下圖是周立功開發(fā)的實(shí)現(xiàn)板電路

這里，將LPC2210MCU的SPI0用于SD卡的控制和數(shù)據(jù)讀寫。對(duì)SPI0的兩個(gè)數(shù)據(jù)線加了上拉電阻以便于MMC卡兼容。

卡供電采用了可控方式，通過GPIO口控制MOS管對(duì)其進(jìn)行供電。

卡檢測(cè)電路也使用GPIO口實(shí)現(xiàn)。通過讀GPIO口數(shù)據(jù)，檢查卡是否寫保護(hù)和完全插入。

具體內(nèi)容可以參考周立功的說明書，百度文庫里邊有

三、SD卡物理接口

我們看到的SD卡一包如下所示，包含9個(gè)引腳和一個(gè)寫保護(hù)開關(guān)：

其引腳定義如下：

注：1. S：電源；I：輸入；O：推挽輸出；PP：推挽I/O。 2. 擴(kuò)展的DAT線（DAT1 ~ DAT3）在上電后處于輸入狀態(tài)。它們?cè)趫?zhí)行SET_BUS_WIDTH命令后作為DAT線操作。當(dāng)不使用DAT1 ~ DAT3 線時(shí)，主機(jī)應(yīng)使自己的DAT1~DAT3線處于輸入模式。這樣定義是為了與MMC卡保持兼容。

3. 上電后，這條線為帶 50K?上拉電阻的輸入線（可以用于檢測(cè)卡是否存在或選擇 SPI 模式） 。用戶可以在正常的數(shù)據(jù)傳輸中用 SET_CLR_CARD_DETECT（ACMD42）命令斷開上拉電阻的連接。MMC卡的該引腳在SD模式下為保留引腳，在SD模式下無任何作用。 4. MMC卡在SD模式下為：I/O/PP/OD。 5. MMC卡在SPI模式下為：I/PP。

四、對(duì)SD卡的控制流程

1、SD卡的SPI工作模式

SD 卡在上電初期自動(dòng)進(jìn)入SD 總線模式，在此模式下向 SD 卡發(fā)送復(fù)位命令CMD0 。如果SD卡在接收復(fù)位命令過程中CS低電平有效，則進(jìn)入SPI模式，否則工作在SD 總線模式。

下邊是插入SD卡，并初始化為SPI模式的流程圖：（至于CMD××究竟是什么樣的命令，本文最后會(huì)附上）

在復(fù)位成功之后可以通過CMD55和ACMD41 判斷當(dāng)前電壓是否在工作范圍內(nèi) 主機(jī)還可以繼續(xù)通過CMD10讀取SD 卡的CID寄存器，通過CMD16 設(shè)置數(shù)據(jù) Block長度，通過CMD9 讀取卡的 CSD寄存器 從CSD 寄存器中，主機(jī)可獲知卡容量，支持的命令集等重要參數(shù)。

2、數(shù)據(jù)塊的讀寫

完成SD 卡的初始化之后即可進(jìn)行它的讀寫操作 SD卡的讀寫操作都是通過發(fā)送 SD 卡命令完成的SPI總線模式支持單塊（CMD24）和多塊（CMD25）寫操作，多塊操作是指從指定位置開始寫下去，直到SD 卡收到一個(gè)停止命令CMD12才停止 單塊寫操作的數(shù)據(jù)塊長度只能是512 字節(jié) 單塊寫入時(shí)，命令為CMD24，當(dāng)應(yīng)答為0時(shí)說明可以寫入數(shù)據(jù)，大小為512 字節(jié) SD 卡對(duì)每個(gè)發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)塊都通過一個(gè)應(yīng)答命令確認(rèn)，它為1個(gè)字節(jié)長，當(dāng)?shù)?5位為00101 時(shí)，表明數(shù)據(jù)塊被正確寫入SD 卡 在需要讀取SD 卡中數(shù)據(jù)的時(shí)候，讀SD卡的命令字為CMD17，接收正確的第一個(gè)響應(yīng)命令字節(jié)為0xFE，隨后是512 個(gè)字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)塊，最后為2 個(gè)字節(jié)的CRC驗(yàn)證碼 可見，讀寫SD 卡的操作都是在初始化后基于 SD 卡命令和響應(yīng)完成操作的，寫、讀 SD 卡的程序流程圖如下所示 ：

（1）寫SD卡流程

（2）讀SD卡流程

五、SD卡的操作命令集合

對(duì)SD卡的操作就靠這些命令來實(shí)現(xiàn)的。一下命令來自周立功的SD/MMC中間件。我查了好多地方都只顯示CMD0、CMD1之類的東西，而沒人說這些東西是什么。就貼到這里供參考，這也是我寫這個(gè)博客的目的，因?yàn)檫@些命令我找了好久的。關(guān)于SD，我一句操作代碼都沒貼。。。

/* 命令響應(yīng)定義 define command's response */

#define R1 1

#define R1B 2

#define R2 3

#define R3 4

/**********************************************

SD卡SPI模式下命令集

**********************************************/

/******************************** 基本命令集 Basic command set **************************/

/* 復(fù)位SD 卡 Reset cards to idle state */

#define CMD0 0

#define CMD0_R R1

/* 讀OCR寄存器 Read the OCR (MMC mode, do not use for SD cards) */

#define CMD1 1

#define CMD1_R R1

/* 讀CSD寄存器 Card sends the CSD */

#define CMD9 9

#define CMD9_R R1

/* 讀CID寄存器 Card sends CID */

#define CMD10 10

#define CMD10_R R1

/* 停止讀多塊時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸 Stop a multiple block (stream) read/write operation */

#define CMD12 12

#define CMD12_R R1B

/* 讀 Card_Status 寄存器 Get the addressed card's status register */

#define CMD13 13

#define CMD13_R R2

/***************************** 塊讀命令集 Block read commands **************************/

/* 設(shè)置塊的長度 Set the block length */

#define CMD16 16

#define CMD16_R R1

/* 讀單塊 Read a single block */

#define CMD17 17

#define CMD17_R R1

/* 讀多塊,直至主機(jī)發(fā)送CMD12為止 Read multiple blocks until a CMD12 */

#define CMD18 18

#define CMD18_R R1

/***************************** 塊寫命令集 Block write commands *************************/

/* 寫單塊 Write a block of the size selected with CMD16 */

#define CMD24 24

#define CMD24_R R1

/* 寫多塊 Multiple block write until a CMD12 */

#define CMD25 25

#define CMD25_R R1

/* 寫CSD寄存器 Program the programmable bits of the CSD */

#define CMD27 27

#define CMD27_R R1

/***************************** 寫保護(hù) Write protection *****************************/

/* Set the write protection bit of the addressed group */

#define CMD28 28

#define CMD28_R R1B

/* Clear the write protection bit of the addressed group */

#define CMD29 29

#define CMD29_R R1B

/* Ask the card for the status of the write protection bits */

#define CMD30 30

#define CMD30_R R1

/***************************** 擦除命令 Erase commands *******************************/

/* 設(shè)置擦除塊的起始地址(只用于SD卡) Set the address of the first write block to be erased(only for SD) */

#define CMD32 32

#define CMD32_R R1

/* 設(shè)置擦除塊的終止地址(只用于SD卡) Set the address of the last write block to be erased(only for SD) */

#define CMD33 33

#define CMD33_R R1

/* 設(shè)置擦除塊的起始地址(只用于MMC卡) Set the address of the first write block to be erased(only for MMC) */

#define CMD35 35

#define CMD35_R R1

/* 設(shè)置擦除塊的終止地址(只用于MMC卡) Set the address of the last write block to be erased(only for MMC) */

#define CMD36 36

#define CMD36_R R1

/* 擦除所選擇的塊 Erase the selected write blocks */

#define CMD38 38

#define CMD38_R R1B

/***************************** 鎖卡命令 Lock Card commands ***************************/

/* 設(shè)置/復(fù)位密碼或上鎖/解鎖卡 Set/reset the password or lock/unlock the card */

#define CMD42 42

#define CMD42_R R1B

/* Commands from 42 to 54, not defined here */

/***************************** 應(yīng)用命令 Application-specific commands ****************/

/* 禁止下一個(gè)命令為應(yīng)用命令 Flag that the next command is application-specific */

#define CMD55 55

#define CMD55_R R1

/* 應(yīng)用命令的通用I/O General purpose I/O for application-specific commands */

#define CMD56 56

#define CMD56_R R1

/* 讀OCR寄存器 Read the OCR (SPI mode only) */

#define CMD58 58

#define CMD58_R R3

/* 使能或禁止 CRC Turn CRC on or off */

#define CMD59 59

#define CMD59_R R1

/***************************** 應(yīng)用命令 Application-specific commands ***************/

/* 獲取 SD Status寄存器 Get the SD card's status */

#define ACMD13 13

#define ACMD13_R R2

/* 得到已寫入卡中的塊的個(gè)數(shù) Get the number of written write blocks (Minus errors ) */

#define ACMD22 22

#define ACMD22_R R1

/* 在寫之前,設(shè)置預(yù)先擦除的塊的個(gè)數(shù) Set the number of write blocks to be pre-erased before writing */

#define ACMD23 23

#define ACMD23_R R1

/* 讀取OCR寄存器 Get the card's OCR (SD mode) */

#define ACMD41 41

#define ACMD41_R R1

/* 連接/斷開CD/DATA[3]引腳上的上拉電阻 Connect or disconnect the 50kOhm internal pull-up on CD/DAT[3] */

#define ACMD42 42

#define ACMD42_R R1

/* 讀取SCR寄存器 Get the SD configuration register */

#define ACMD51 51

#define ACMD51_R R1