單片機(jī)spi驅(qū)動(dòng)SD卡

SD卡在現(xiàn)在的日常生活與工作中使用非常廣泛，時(shí)下已經(jīng)成為最為通用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)卡。在諸如MP3、數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備上也都采用SD卡作為其存儲(chǔ)設(shè)備。SD卡之所以得到如此廣泛的使用，是因?yàn)樗鼉r(jià)格低廉、存儲(chǔ)容量大、使用方便、通用性與安全性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。既然它有著這么多優(yōu)點(diǎn)，那么如果將它加入到單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中來(lái)，將使系統(tǒng)變得更加出色。這就要求對(duì)SD卡的硬件與讀寫(xiě)時(shí)序進(jìn)行研究。對(duì)于SD卡的硬件結(jié)構(gòu)，在官方的文檔上有很詳細(xì)的介紹，如SD卡內(nèi)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)單元組織方式等內(nèi)容。要實(shí)現(xiàn)對(duì)它的讀寫(xiě)，最核心的是它的時(shí)序，筆者在經(jīng)過(guò)了實(shí)際的測(cè)試后，使用51單片機(jī)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)SD卡的扇區(qū)讀寫(xiě)，并對(duì)其讀寫(xiě)速度進(jìn)行了評(píng)估。下面先來(lái)講解SD卡的讀寫(xiě)時(shí)序。

（1）SD卡的引腳定義：

SD卡引腳功能詳述：

注：S：電源供給I：輸入O：采用推拉驅(qū)動(dòng)的輸出 PP：采用推拉驅(qū)動(dòng)的輸入輸出

SD卡支持兩種總線(xiàn)方式：SD方式與SPI方式。其中SD方式采用6線(xiàn)制，使用CLK、CMD、DAT0~DAT3進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。而SPI方式采用4線(xiàn)制，使用CS、CLK、DataIn、DataOut進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。SD方式時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸速度與SPI方式要快，采用單片機(jī)對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)一般都采用SPI模式。采用不同的初始化方式可以使SD卡工作于SD方式或SPI方式。這里只對(duì)其SPI方式進(jìn)行介紹。

（2）SPI方式驅(qū)動(dòng)SD卡的方法

SD卡的SPI通信接口使其可以通過(guò)SPI通道進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)。從應(yīng)用的角度來(lái)看，采用SPI接口的好處在于，很多單片機(jī)內(nèi)部自帶SPI控制器，不光給開(kāi)發(fā)上帶來(lái)方便，同時(shí)也見(jiàn)降低了開(kāi)發(fā)成本。然而，它也有不好的地方，如失去了SD卡的性能優(yōu)勢(shì)，要解決這一問(wèn)題，就要用SD方式，因?yàn)樗峁└蟮目偩€(xiàn)數(shù)據(jù)帶寬。SPI接口的選用是在上電初始時(shí)向其寫(xiě)入第一個(gè)命令時(shí)進(jìn)行的。以下介紹SD卡的驅(qū)動(dòng)方法，只實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的扇區(qū)讀寫(xiě)。

1）命令與數(shù)據(jù)傳輸

1.命令傳輸

SD卡自身有完備的命令系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)操作。命令格式如下：

命令的傳輸過(guò)程采用發(fā)送應(yīng)答機(jī)制，過(guò)程如下：

每一個(gè)命令都有自己命令應(yīng)答格式。在SPI模式中定義了三種應(yīng)答格式，如下表所示：

寫(xiě)命令的例程：

//-----------------------------------------------------------------------------------------------

向SD卡中寫(xiě)入命令，并返回回應(yīng)的第二個(gè)字節(jié)

//-----------------------------------------------------------------------------------------------

unsignedcharWrite_Command_SD(unsignedchar*CMD)

{

unsignedchartmp;

unsignedcharretry=0;

unsignedchari;

//禁止SD卡片選

SPI_CS=1;

//發(fā)送8個(gè)時(shí)鐘信號(hào)

Write_Byte_SD(0xFF);

//使能SD卡片選

SPI_CS=0;

//向SD卡發(fā)送6字節(jié)命令

for(i=0;i<0x06;i++)

{

Write_Byte_SD(*CMD++);

}

//獲得16位的回應(yīng)

Read_Byte_SD();//readthefirstbyte,ignoreit.

do

{//讀取后8位

tmp=Read_Byte_SD();

retry++;

}

while((tmp==0xff)&&(retry<100));

return(tmp);

}

2）初始化

SD卡的初始化是非常重要的，只有進(jìn)行了正確的初始化，才能進(jìn)行后面的各項(xiàng)操作。在初始化過(guò)程中，SPI的時(shí)鐘不能太快，否則會(huì)造初始化失敗。在初始化成功后，應(yīng)盡量提高SPI的速率。在剛開(kāi)始要先發(fā)送至少74個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，這是必須的。在很多讀者的實(shí)驗(yàn)中，很多是因?yàn)槭韬隽诉@一點(diǎn)，而使初始化不成功。隨后就是寫(xiě)入兩個(gè)命令CMD0與CMD1，使SD卡進(jìn)入SPI模式

初始化時(shí)序圖：

初始化例程：

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初始化SD卡到SPI模式

//--------------------------------------------------------------------------

unsignedcharSD_Init()

{

unsignedcharretry,temp;

unsignedchari;

unsignedcharCMD[]={0x40,0x00,0x00,0x00,0x00,0x95};

SD_Port_Init();//初始化驅(qū)動(dòng)端口

Init_Flag=1;//將初始化標(biāo)志置1

for(i=0;i<0x0f;i++)

{

Write_Byte_SD(0xff);//發(fā)送至少74個(gè)時(shí)鐘信號(hào)

}

//向SD卡發(fā)送CMD0

retry=0;

do

{//為了能夠成功寫(xiě)入CMD0,在這里寫(xiě)200次

temp=Write_Command_SD(CMD);

retry++;

if(retry==200)

{//超過(guò)200次

return(INIT_CMD0_ERROR);//CMD0Error!

}

}

while(temp!=1);//回應(yīng)01h，停止寫(xiě)入

//發(fā)送CMD1到SD卡

CMD[0]=0x41;//CMD1

CMD[5]=0xFF;

retry=0;

do

{//為了能成功寫(xiě)入CMD1,寫(xiě)100次

temp=Write_Command_SD(CMD);

retry++;

if(retry==100)

{//超過(guò)100次

return(INIT_CMD1_ERROR);//CMD1Error!

}

}

while(temp!=0);//回應(yīng)00h停止寫(xiě)入

Init_Flag=0;//初始化完畢，初始化標(biāo)志清零

SPI_CS=1;//片選無(wú)效

return(0);//初始化成功

}

3）讀取CID

CID寄存器存儲(chǔ)了SD卡的標(biāo)識(shí)碼。每一個(gè)卡都有唯一的標(biāo)識(shí)碼。

CID寄存器長(zhǎng)度為128位。它的寄存器結(jié)構(gòu)如下：

它的讀取時(shí)序如下：

與此時(shí)序相對(duì)應(yīng)的程序如下：

//------------------------------------------------------------------------------------

讀取SD卡的CID寄存器16字節(jié)成功返回0

//-------------------------------------------------------------------------------------

unsignedcharRead_CID_SD(unsignedchar*Buffer)

{

//讀取CID寄存器的命令

unsignedcharCMD[]={0x4A,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};

unsignedchartemp;

temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16);//read16bytes

return(temp);

}

4）讀取CSD

CSD（Card-SpecificData）寄存器提供了讀寫(xiě)SD卡的一些信息。其中的一些單元可以由用戶(hù)重新編程。具體的CSD結(jié)構(gòu)如下：

讀取CSD的時(shí)序：

相應(yīng)的程序例程如下：

//-----------------------------------------------------------------------------------------

讀SD卡的CSD寄存器共16字節(jié)返回0說(shuō)明讀取成功

//-----------------------------------------------------------------------------------------

unsignedcharRead_CSD_SD(unsignedchar*Buffer)

{

//讀取CSD寄存器的命令

unsignedcharCMD[]={0x49,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};

unsignedchartemp;

temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16);//read16bytes

return(temp);

}

4）讀取SD卡信息

綜合上面對(duì)CID與CSD寄存器的讀取，可以知道很多關(guān)于SD卡的信息，以下程序可以獲取這些信息。如下：

//-----------------------------------------------------------------------------------------------

//返回

//SD卡的容量，單位為M

//sectorcountandmultiplierMBarein

u08==C_SIZE/(2^(9-C_SIZE_MULT))

//SD卡的名稱(chēng)

//-----------------------------------------------------------------------------------------------

voidSD_get_volume_info()

{

unsignedchari;

unsignedcharc_temp[5];

VOLUME_INFO_TYPESD_volume_Info,*vinf;

vinf=&SD_volume_Info;//Initthepointoer;

/讀取CSD寄存器

Read_CSD_SD(sectorBuffer.dat);

//獲取總扇區(qū)數(shù)

vinf->sector_count=sectorBuffer.dat[6]&0x03;

vinf->sector_count<<=8;

vinf->sector_count+=sectorBuffer.dat[7];

vinf->sector_count<<=2;

vinf->sector_count+=(sectorBuffer.dat[8]&0xc0)>>6;

//獲取multiplier

vinf->sector_multiply=sectorBuffer.dat[9]&0x03;

vinf->sector_multiply<<=1;

vinf->sector_multiply+=(sectorBuffer.dat[10]&0x80)>>7;

//獲取SD卡的容量

vinf->size_MB=vinf->sector_count>>(9-vinf->sector_multiply);

//getthenameofthecard

Read_CID_SD(sectorBuffer.dat);

vinf->name[0]=sectorBuffer.dat[3];

vinf->name[1]=sectorBuffer.dat[4];

vinf->name[2]=sectorBuffer.dat[5];

vinf->name[3]=sectorBuffer.dat[6];

vinf->name[4]=sectorBuffer.dat[7];

vinf->name[5]=0x00;//endflag

}

以上程序?qū)⑿畔⒀b載到一個(gè)結(jié)構(gòu)體中，這個(gè)結(jié)構(gòu)體的定義如下：

typedefstructSD_VOLUME_INFO

{//SD/SDCardinfo

unsignedintsize_MB;

unsignedcharsector_multiply;

unsignedintsector_count;

unsignedcharname[6];

}VOLUME_INFO_TYPE;

5）扇區(qū)讀

扇區(qū)讀是對(duì)SD卡驅(qū)動(dòng)的目的之一。SD卡的每一個(gè)扇區(qū)中有512個(gè)字節(jié)，一次扇區(qū)讀操作將把某一個(gè)扇區(qū)內(nèi)的512個(gè)字節(jié)全部讀出。過(guò)程很簡(jiǎn)單，先寫(xiě)入命令，在得到相應(yīng)的回應(yīng)后，開(kāi)始數(shù)據(jù)讀取。

扇區(qū)讀的時(shí)序：

扇區(qū)讀的程序例程：

unsignedcharSD_Read_Sector(unsignedlongsector,unsignedchar*buffer)

{

unsignedcharretry;

//命令16

unsignedcharCMD[]={0x51,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};

unsignedchartemp;

//地址變換由邏輯塊地址轉(zhuǎn)為字節(jié)地址

sector=sector<<9;//sector=sector*512

CMD[1]=((sector&0xFF000000)>>24);

CMD[2]=((sector&0x00FF0000)>>16);

CMD[3]=((sector&0x0000FF00)>>8);

//將命令16寫(xiě)入SD卡

retry=0;

do

{//為了保證寫(xiě)入命令一共寫(xiě)100次

temp=Write_Command_MMC(CMD);

retry++;

if(retry==100)

{

return(READ_BLOCK_ERROR);//blockwriteError!

}

}

while(temp!=0);

//ReadStartByteformMMC/SD-Card(FEh/StartByte)

//Nowdataisready,youcanreaditout.

while(Read_Byte_MMC()!=0xfe);

readPos=0;

SD_get_data(512,buffer);//512字節(jié)被讀出到buffer中

return0;

}

其中SD_get_data函數(shù)如下：

//----------------------------------------------------------------------------

獲取數(shù)據(jù)到buffer中

//----------------------------------------------------------------------------

voidSD_get_data(unsignedintBytes,unsignedchar*buffer)

{

unsignedintj;

for(j=0;j

*buffer++=Read_Byte_SD();

}

6）扇區(qū)寫(xiě)

扇區(qū)寫(xiě)是SD卡驅(qū)動(dòng)的另一目的。每次扇區(qū)寫(xiě)操作將向SD卡的某個(gè)扇區(qū)中寫(xiě)入512個(gè)字節(jié)。過(guò)程與扇區(qū)讀相似，只是數(shù)據(jù)的方向相反與寫(xiě)入命令不同而已。

扇區(qū)寫(xiě)的時(shí)序：

扇區(qū)寫(xiě)的程序例程：

//--------------------------------------------------------------------------------------------

寫(xiě)512個(gè)字節(jié)到SD卡的某一個(gè)扇區(qū)中去返回0說(shuō)明寫(xiě)入成功

//--------------------------------------------------------------------------------------------

unsignedcharSD_write_sector(unsignedlongaddr,unsignedchar*Buffer)

{

unsignedchartmp,retry;

unsignedinti;

//,命令24

unsignedcharCMD[]={0x58,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};

addr=addr<<9;//addr=addr*512

CMD[1]=((addr&0xFF000000)>>24);

CMD[2]=((addr&0x00FF0000)>>16);

CMD[3]=((addr&0x0000FF00)>>8);

//寫(xiě)命令24到SD卡中去

retry=0;

do

{//為了可靠寫(xiě)入，寫(xiě)100次

tmp=Write_Command_SD(CMD);

retry++;

if(retry==100)

{

return(tmp);//sendcommamdError!

}

}

while(tmp!=0);

//在寫(xiě)之前先產(chǎn)生100個(gè)時(shí)鐘信號(hào)

for(i=0;i<100;i++)

{

Read_Byte_SD();

}

//寫(xiě)入開(kāi)始字節(jié)

Write_Byte_MMC(0xFE);

//現(xiàn)在可以寫(xiě)入512個(gè)字節(jié)

for(i=0;i<512;i++)

{

Write_Byte_MMC(*Buffer++);

}

//CRC-Byte

Write_Byte_MMC(0xFF);//DummyCRC

Write_Byte_MMC(0xFF);//CRCCode

tmp=Read_Byte_MMC();//readresponse

if((tmp&0x1F)!=0x05)//寫(xiě)入的512個(gè)字節(jié)是未被接受

{

SPI_CS=1;

return(WRITE_BLOCK_ERROR);//Error!

}

//等到SD卡不忙為止

//因?yàn)閿?shù)據(jù)被接受后，SD卡在向儲(chǔ)存陣列中編程數(shù)據(jù)

while(Read_Byte_MMC()!=0xff){};

//禁止SD卡

SPI_CS=1;

return(0);//寫(xiě)入成功

}

此上內(nèi)容在筆者的實(shí)驗(yàn)中都已調(diào)試通過(guò)。單片機(jī)采用STC89LE單片機(jī)（SD卡的初始化電壓為2.0V~3.6V，操作電壓為3.1V~3.5V，因此不能用5V單片機(jī)，或進(jìn)行分壓處理），工作于22.1184M的時(shí)鐘下，由于所采用的單片機(jī)中沒(méi)硬件SPI，采用軟件模擬SPI，因此讀寫(xiě)速率都較慢。如果要半SD卡應(yīng)用于音頻、視頻等要求高速場(chǎng)合，則需要選用有硬件SPI的控制器，或使用SD模式，當(dāng)然這就需要各位讀者對(duì)SD模式加以研究，有了SPI模式的基礎(chǔ)，SD模式應(yīng)該不是什么難事。