SD卡在現在的日常生活與工作中使用非常廣泛,時下已經成為最為通用的數據存儲卡。在諸如MP3、數碼相機等設備上也都採用SD卡作為其存儲設備。SD卡之所以得到如此廣泛的使用,是因為它價格低廉、存儲容量大、使用方便、通用性與安全性強等優點。既然它有著這麼多優點,那麼如果將它加入到單片機應用開發系統中來,將使系統變得更加出色。這就要求對SD卡的硬體與讀寫時序進行研究。對於SD卡的硬體結構,在官方的文檔上有很詳細的介紹,如SD卡內的存儲器結構、存儲單元組織方式等內容。要實現對它的讀寫,最核心的是它的時序,筆者在經過了實際的測試后,使用51單片機成功實現了對SD卡的扇區讀寫,並對其讀寫速度進行了評估。下面先來講解SD卡的讀寫時序。
(1) SD卡的引腳定義:
SD卡引腳功能詳述:
引腳 編號 | SD模式 | SPI模式 | ||||
名稱 | 類型 | 描述 | 名稱 | 類型 | 描述 | |
1 | CD/DAT3 | IO或PP | 卡檢測/ 數據線3 | #CS | I | 片選 |
2 | CMD | PP | 命令/ 回應 | DI | I | 數據輸入 |
3 | VSS1 | S | 電源地 | VSS | S | 電源地 |
4 | VDD | S | 電源 | VDD | S | 電源 |
5 | CLK | I | 時鐘 | SCLK | I | 時鐘 |
6 | VSS2 | S | 電源地 | VSS2 | S | 電源地 |
7 | DAT0 | IO或PP | 數據線0 | DO | O或PP | 數據輸出 |
8 | DAT1 | IO或PP | 數據線1 | RSV | | |
9 | DAT2 | IO或PP | 數據線2 | RSV | | |
SD卡SPI模式下與單片機的連接圖:
SD卡支持兩種匯流排方式:SD方式與SPI方式。其中SD方式採用6線制,使用CLK、CMD、DAT0~DAT3進行數據通信。而SPI方式採用4線制,使用CS、CLK、DataIn、DataOut進行數據通信。SD方式時的數據傳輸速度與SPI方式要快,採用單片機對SD卡進行讀寫時一般都採用SPI模式。採用不同的初始化方式可以使SD卡工作於SD方式或SPI方式。這裡只對其SPI方式進行介紹。
(2) SPI方式驅動SD卡的方法
SD卡的SPI通信介面使其可以通過SPI通道進行數據讀寫。從應用的角度來看,採用SPI介面的好處在於,很多單片機內部自帶SPI控制器,不光給開發上帶來方便,同時也見降低了開發成本。然而,它也有不好的地方,如失去了SD卡的性能優勢,要解決這一問題,就要用SD方式,因為它提供更大的匯流排數據帶寬。SPI介面的選用是在上電初始時向其寫入第一個命令時進行的。以下介紹SD卡的驅動方法,只實現簡單的扇區讀寫。
1) 命令與數據傳輸
1. 命令傳輸
SD卡自身有完備的命令系統,以實現各項操作。命令格式如下:
命令的傳輸過程採用發送應答機制,過程如下:
每一個命令都有自己命令應答格式。在SPI模式中定義了三種應答格式,如下表所示:
位元組 | 位 | 含義 |
1 | 7 | 開始位,始終為0 |
6 | 參數錯誤 | |
5 | 地址錯誤 | |
4 | 擦除序列錯誤 | |
3 | CRC錯誤 | |
2 | 非法命令 | |
1 | 擦除複位 | |
0 | 閑置狀態 |
位元組 | 位 | 含義 |
1 | 7 | 開始位,始終為0 |
6 | 參數錯誤 | |
5 | 地址錯誤 | |
4 | 擦除序列錯誤 | |
3 | CRC錯誤 | |
2 | 非法命令 | |
1 | 擦除複位 | |
0 | 閑置狀態 | |
2 | 7 | 溢出,CSD覆蓋 |
6 | 擦除參數 | |
5 | 防寫非法 | |
4 | 卡ECC失敗 | |
3 | 卡控制器錯誤 | |
2 | 未知錯誤 | |
1 | 防寫擦除跳過,鎖/解鎖失敗 | |
0 | 鎖卡 |
位元組 | 位 | 含義 |
1 | 7 | 開始位,始終為0 |
6 | 參數錯誤 | |
5 | 地址錯誤 | |
4 | 擦除序列錯誤 | |
3 | CRC錯誤 | |
2 | 非法命令 | |
1 | 擦除複位 | |
0 | 閑置狀態 | |
2~5 | 全部 | 操作條件寄存器,高位在前 |
寫命令的常式:
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
向SD卡中寫入命令,並返回回應的第二個位元組
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
unsigned char Write_Command_SD(unsigned char *CMD)
{
unsigned char tmp;
unsigned char retry=0;
unsigned char i;
//禁止SD卡片選
SPI_CS=1;
//發送8個時鐘信號
Write_Byte_SD(0xFF);
//使能SD卡片選
SPI_CS=0;
//向SD卡發送6位元組命令
for (i=0;i<0x06;i++)
{
Write_Byte_SD(*CMD++);
}
//獲得16位的回應
Read_Byte_SD(); //read the first byte,ignore it.
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,只有進行了正確的初始化,才能進行後面的各項操作。在初始化過程中,SPI的時鐘不能太快,否則會造初始化失敗。在初始化成功后,應盡量提高SPI的速率。在剛開始要先發送至少74個時鐘信號,這是必須的。在很多讀者的實驗中,很多是因為疏忽了這一點,而使初始化不成功。隨後就是寫入兩個命令CMD0與CMD1,使SD卡進入SPI模式
初始化時序圖:
初始化常式:
//--------------------------------------------------------------------------
初始化SD卡到SPI模式
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unsigned char SD_Init()
{
unsigned char retry,temp;
unsigned char i;
unsigned char CMD[] = {0x40,0x00,0x00,0x00,0x00,0x95};
SD_Port_Init(); //初始化驅動埠
Init_Flag=1; //將初始化標誌置1
for (i=0;i<0x0f;i++)
{
Write_Byte_SD(0xff); //發送至少74個時鐘信號
}
//向SD卡發送CMD0
retry=0;
do
{ //為了能夠成功寫入CMD0,在這裡寫200次
temp=Write_Command_SD(CMD);
retry++;
if(retry==200)
{ //超過200次
return(INIT_CMD0_ERROR);//CMD0 Error!
}
}
while(temp!=1); //回應01h,停止寫入
//發送CMD1到SD卡
CMD[0] = 0x41; //CMD1
CMD[5] = 0xFF;
retry=0;
do
{ //為了能成功寫入CMD1,寫100次
temp=Write_Command_SD(CMD);
retry++;
if(retry==100)
{ //超過100次
return(INIT_CMD1_ERROR);//CMD1 Error!
}
}
while(temp!=0);//回應00h停止寫入
Init_Flag=0; //初始化完畢,初始化標誌清零
SPI_CS=1; //片選無效
return(0); //初始化成功
}
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