SD卡接口設(shè)計(jì)

1 SD卡標(biāo)準(zhǔn)
    SD卡標(biāo)準(zhǔn)是SD卡協(xié)會(huì)針對(duì)可移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備設(shè)計(jì)專(zhuān)利并授權(quán)的一種標(biāo)準(zhǔn)，主要用于制定卡的外形尺寸、電氣接口和通信協(xié)議。
1．1 SD卡引腳功能
    SD卡的外形如圖1所示，引腳功能如表1所列。SD卡的引腳具有雙重功能，既可工作在SD模式，也可工作在SPI模式。不同的模式下，引腳的功能不同。

    SD模式多用于對(duì)SD卡讀寫(xiě)速度要求較高的場(chǎng)合，SPI模式則是以犧牲讀寫(xiě)速度換取更好的硬件接口兼容性。由于SPI協(xié)議是目前廣泛流行的通信協(xié)議，大多數(shù)高性能單片機(jī)都配備了SPI硬件接口，硬件連接相對(duì)簡(jiǎn)單，因此，在對(duì)SD卡讀寫(xiě)速度要求不高的情況下，采用SPI模式無(wú)疑是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。
1．2 SPI模式
    SPI模式是一種簡(jiǎn)單的命令響應(yīng)協(xié)議，主控制器發(fā)出命令后，SD卡針對(duì)不S同的命令返回對(duì)應(yīng)的響應(yīng)。
    SD卡的命令列表都是以CMD和ACMD開(kāi)頭，分別指通用命令和專(zhuān)用命令，后面接命令的編號(hào)。例如，CMD17就是一個(gè)通用命令，用來(lái)讀單塊數(shù)據(jù)。
    在SPI模式中，命令都是以如下的6字節(jié)形式發(fā)送的：

    每幀命令都以“01”開(kāi)頭，然后是6位命令號(hào)和4字節(jié)的參數(shù)(高位在前，低位在后)，最后是7位CRC校驗(yàn)和1位停止位“1”。
    SD卡的每條命令都會(huì)返回對(duì)應(yīng)的響應(yīng)類(lèi)型。在SPI模式下，共有3種響應(yīng)類(lèi)型：R1、R2和R3，分別占1、2和3個(gè)字節(jié)。這里僅列出了R1響應(yīng)的格式，如表2所列。當(dāng)出現(xiàn)表中所描述的狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的位置1。R2和R3的第1個(gè)字節(jié)格式與R1完全一樣，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參考SD卡標(biāo)準(zhǔn)。

2 硬件設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)選用Freescale公司的32位低功耗微控制器MCF51QE128，采用SPI模式實(shí)現(xiàn)與SD卡的接口。
    由于MCF51QE128是一款低功耗的微控制器，工作電壓的典型值為3．6 V，與SD卡的工作電壓兼容，因而可以直接與SD卡連接，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換電路。這里選用的是MCF51 QE128的第2個(gè)SPI口，硬件連接如圖2所示。

3 軟件實(shí)現(xiàn)
    軟件部分主要實(shí)現(xiàn)MCF51QE128的初始化、底層SPI通信，以及SD卡的通用寫(xiě)命令、初始化和單塊數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)等功能。
3．1 MCF51QE128的初始化
    在與SD卡通信之前，首先需要配置MCF51QE128，并初始化SPI端口。代碼如下：

[!--empirenews.page--]3．2 底層SPI通信
    底層的SPI通信是實(shí)現(xiàn)最終讀寫(xiě)的關(guān)鍵。由于MCF51QE128自帶SPI硬件接口，因此只需要讀寫(xiě)SPI數(shù)據(jù)寄存器的值。這里自定了byte、word和dword三種數(shù)據(jù)類(lèi)型，分別對(duì)應(yīng)于8位、16位和32位數(shù)據(jù)。代碼如下：

3．3 SD卡的通用寫(xiě)命令
    由于SD卡的命令具有統(tǒng)一的格式，因此可以用一個(gè)通用的寫(xiě)命令函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)所有命令的發(fā)送。另外，考慮到多數(shù)命令的響應(yīng)類(lèi)型都是R1，這里的通用寫(xiě)命令函數(shù)所接收的響應(yīng)類(lèi)型默認(rèn)為R1。函數(shù)代碼如下：

3．4 SD卡的初始化
    SD卡的初始化要遵循一定的步驟。首先將SPI時(shí)鐘降低到400 kHz，等待至少74個(gè)時(shí)鐘周期。接著拉低片選信號(hào)，并發(fā)送CMD0命令，對(duì)SD卡進(jìn)行復(fù)位并使其進(jìn)入SPI模式，這里需要正確的CRC校驗(yàn)，校驗(yàn)字節(jié)為0x95。若SD卡進(jìn)入空閑狀態(tài)(即接收響應(yīng)為0x01時(shí))，則發(fā)送CMD1命令，激活卡的初始化過(guò)程，此時(shí)響應(yīng)為0x00。然后設(shè)置塊的長(zhǎng)度，一般為512字節(jié)。最后將片選拉高并將SPI時(shí)鐘設(shè)為最大值，以保證最大的讀寫(xiě)速度。SD卡初始化過(guò)程如圖3所示。

    SD卡初始化代碼如下：

[!--empirenews.page--]3．5 SD卡單塊數(shù)據(jù)讀寫(xiě)
    SPI模式支持單塊和多塊數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作，可通過(guò)發(fā)送相應(yīng)的命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。讀單塊數(shù)據(jù)的操作過(guò)程如圖4所示。拉低片選后，首先由主控制器MCF51QE128發(fā)送讀單塊數(shù)據(jù)命令CMD17，然后等待SD卡的響應(yīng)。當(dāng)收到數(shù)據(jù)塊開(kāi)始標(biāo)志0xfe后，開(kāi)始從SD卡讀取512字節(jié)的數(shù)據(jù)，最后讀取2字節(jié)的CRC校驗(yàn)位。

    讀單塊數(shù)據(jù)的函數(shù)代碼如下：

    寫(xiě)單塊數(shù)據(jù)的操作過(guò)程與讀操作類(lèi)似，如圖5所示。拉低片選后同樣由主控制器MCF51QE128發(fā)送寫(xiě)單塊數(shù)據(jù)命令CMD24，SD卡正確響應(yīng)后發(fā)送數(shù)據(jù)塊開(kāi)始標(biāo)志0xfe，接著發(fā)送512字節(jié)數(shù)據(jù)塊和2字節(jié)CRC校驗(yàn)。

    寫(xiě)入數(shù)據(jù)后，SD卡會(huì)發(fā)送1字節(jié)的數(shù)據(jù)響應(yīng)來(lái)反饋數(shù)據(jù)寫(xiě)入的情況，其格式如圖6所示。當(dāng)數(shù)據(jù)正確寫(xiě)入SD卡后，數(shù)據(jù)響應(yīng)為0x05。最后讀數(shù)據(jù)總線，寫(xiě)數(shù)據(jù)忙時(shí)等待，直到總線為高電平。

    寫(xiě)單塊數(shù)據(jù)的函數(shù)代碼如下：

結(jié) 語(yǔ)
    SD卡是目前廣泛應(yīng)用的可擦除的大容量存儲(chǔ)設(shè)備，其接口設(shè)計(jì)可作為各類(lèi)嵌入式系統(tǒng)中存儲(chǔ)單元的一般解決方案。本文結(jié)合SD卡標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)技術(shù)，基于MCF51QE128微控制器完成了硬件接口和底層通信軟件的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步構(gòu)建文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)更有效的管理。