單片機spi驅動SD卡
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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采用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。既然它有著這么多優點，那么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卡的硬件與讀寫時序進行研究。對于SD卡的硬件結構，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，并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 | ||
注：S：電源供給I：輸入O：采用推拉驅動的輸出 PP：采用推拉驅動的輸入輸出
SD卡支持兩種總線方式：SD方式與SPI方式。其中SD方式采用6線制，使用CLK、CMD、DAT0~DAT3進行數據通信。而SPI方式采用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，采用單片機對SD卡進行讀寫時一般都采用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通信接口使其可以通過SPI通道進行數據讀寫。從應用的角度來看，采用SPI接口的好處在于，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，因為它提供更大的總線數據帶寬。SPI接口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：
命令的傳輸過程采用發送應答機制，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：
字節 | 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 | 擦除復位 | |
0 | 閑置狀態 |
字節 | 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 | 擦除復位 | |
0 | 閑置狀態 | |
2 | 7 | 溢出，CSD覆蓋 |
6 | 擦除參數 | |
5 | 寫保護非法 | |
4 | 卡ECC失敗 | |
3 | 卡控制器錯誤 | |
2 | 未知錯誤 | |
1 | 寫保護擦除跳過，鎖／解鎖失敗 | |
0 | 鎖卡 |
字節 | 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 | 擦除復位 | |
0 | 閑置狀態 | |
2～5 | 全部 | 操作條件寄存器，高位在前 |
寫命令的例程：
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
向SD卡中寫入命令，并返回回應的第二個字節
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
unsignedcharWrite_Command_SD(unsignedchar*CMD)
{
unsignedchartmp;
unsignedcharretry=0;
unsignedchari;
//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字節命令
for(i=0;i<0x06;i++)
{
Write_Byte_SD(*CMD++);
}
//獲得16位的回應
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，只有進行了正確的初始化，才能進行后面的各項操作。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。隨后就是寫入兩個命令CMD0與CMD1，使SD卡進入SPI模式
初始化時序圖：
初始化例程：
//--------------------------------------------------------------------------
初始化SD卡到SPI模式
//--------------------------------------------------------------------------
unsignedcharSD_Init()
{
unsignedcharretry,temp;
unsignedchari;
unsignedcharCMD[]={0x40,0x00,0x00,0x00,0x00,0x95};
SD_Port_Init();//初始化驅動端口
Init_Flag=1;//將初始化標志置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,在這里寫200次
temp=Write_Command_SD(CMD);
retry++;
if(retry==200)
{//超過200次
return(INIT_CMD0_ERROR);//CMD0Error!
}
}
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);//CMD1Error!
}
}
while(temp!=0);//回應00h停止寫入
Init_Flag=0;//初始化完畢，初始化標志清零
SPI_CS=1;//片選無效
return(0);//初始化成功
}
3）讀取CID
CID寄存器存儲了SD卡的標識碼。每一個卡都有唯一的標識碼。
CID寄存器長度為128位。它的寄存器結構如下：
名稱 | 域 | 數據寬度 | CID劃分 |
生產標識號 | MID | 8 | [127:120] |
OEM/應用標識 | OID | 16 | [119:104] |
產品名稱 | PNM | 40 | [103:64] |
產品版本 | PRV | 8 | [63:56] |
產品序列號 | PSN | 32 | [55:24] |
保留 | － | 4 | [23:20] |
生產日期 | MDT | 12 | [19:8] |
CRC7校驗合 | CRC | 7 | [7:1] |
未使用，始終為1 | － | 1 | [0:0] |
它的讀取時序如下：
與此時序相對應的程序如下：
//------------------------------------------------------------------------------------
讀取SD卡的CID寄存器16字節成功返回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SD卡的一些信息。其中的一些單元可以由用戶重新編程。具體的CSD結構如下：
名稱 | 域 | 數據寬度 | 單元類型 | CSD劃分 |
CSD結構 | CSD_STRUCTURE | 2 | R | [127:126] |
保留 | - | 6 | R | [125:120] |
數據讀取時間1 | TAAC | 8 | R | [119:112] |
數據在CLK周期內讀取時間2（NSAC*100） | NSAC | 8 | R | [111:104] |
最大數據傳輸率 | TRAN_SPEED | 8 | R | [103:96] |
卡命令集合 | CCC | 12 | R | [95:84] |
最大讀取數據塊長 | READ_BL_LEN | 4 | R | [83:80] |
允許讀的部分塊 | READ_BL_PARTIAL | 1 | R | [79:79] |
非線寫塊 | WRITE_BLK_MISALIGN | 1 | R | [78:78] |
非線讀塊 | READ_BLK_MISALIGN | 1 | R | [77:77] |
DSR條件 | DSR_IMP | 1 | R | [76:76] |
保留 | - | 2 | R | [75:74] |
設備容量 | C_SIZE | 12 | R | [73:62] |
最大讀取電流@VDDmin | VDD_R_CURR_MIN | 3 | R | [61:59] |
最大讀取電流@VDDmax | VDD_R_CURR_MAX | 3 | R | [58:56] |
最大寫電流@VDDmin | VDD_W_CURR_MIN | 3 | R | [55:53] |
最大寫電流@VDDmax | VDD_W_CURR_MAX | 3 | R | [52:50] |
設備容量乘子 | C_SIZE_MULT | 3 | R | [49:47] |
擦除單塊使能 | ERASE_BLK_EN | 1 | R | [46:46] |
擦除扇區大小 | SECTOR_SIZE | 7 | R | [45:39] |
寫保護群大小 | WP_GRP_SIZE | 7 | R | [38:32] |
寫保護群使能 | WP_GRP_ENABLE | 1 | R | [31:31] |
保留 | - | 2 | R | [30:29] |
寫速度因子 | R2W_FACTOR | 3 | R | [28:26] |
最大寫數據塊長度 | WRITE_BL_LEN | 4 | R | [25:22] |
允許寫的部分部 | WRITE_BL_PARTIAL | 1 | R | [21:21] |
保留 | - | 5 | R | [20:16] |
文件系統群 | FILE_OFRMAT_GRP | 1 | R/W | [15:15] |
拷貝標志 | COPY | 1 | R/W | [14:14] |
永久寫保護 | PERM_WRITE_PROTECT | 1 | R/W | [13:13] |
暫時寫保護 | TMP_WRITE_PROTECT | 1 | R/W | [12:12] |
文件系統 | FIL_FORMAT | 2 | R/W | [11:10] |
保留 | - | 2 | R/W | [9:8] |
CRC | CRC | 7 | R/W | [7:1] |
未用，始終為1 | - | 1 | [0:0] |
讀取CSD的時序：
相應的程序例程如下：
//-----------------------------------------------------------------------------------------
讀SD卡的CSD寄存器共16字節返回0說明讀取成功
//-----------------------------------------------------------------------------------------
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CID與CSD寄存器的讀取，可以知道很多關于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
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
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);
//獲取總扇區數
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
}
以上程序將信息裝載到一個結構體中，這個結構體的定義如下：
typedefstructSD_VOLUME_INFO
{//SD/SDCardinfo
unsignedintsize_MB;
unsignedcharsector_multiply;
unsignedintsector_count;
unsignedcharname[6];
}VOLUME_INFO_TYPE;
5）扇區讀
扇區讀是對SD卡驅動的目的之一。SD卡的每一個扇區中有512個字節，一次扇區讀操作將把某一個扇區內的512個字節全部讀出。過程很簡單，先寫入命令，在得到相應的回應后，開始數據讀取。
扇區讀的時序：
扇區讀的程序例程：
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為字節地址
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寫入SD卡
retry=0;
do
{//為了保證寫入命令一共寫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字節被讀出到buffer中
return0;
}
其中SD_get_data函數如下：
//----------------------------------------------------------------------------
獲取數據到buffer中
//----------------------------------------------------------------------------
voidSD_get_data(unsignedintBytes,unsignedchar*buffer)
{
unsignedintj;
for(j=0;j *buffer++=Read_Byte_SD(); } 6）扇區寫 扇區寫是SD卡驅動的另一目的。每次扇區寫操作將向SD卡的某個扇區中寫入512個字節。過程與扇區讀相似，只是數據的方向相反與寫入命令不同而已。 扇區寫的時序： 扇區寫的程序例程： //-------------------------------------------------------------------------------------------- 寫512個字節到SD卡的某一個扇區中去返回0說明寫入成功 //-------------------------------------------------------------------------------------------- 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); //寫命令24到SD卡中去 retry=0; do {//為了可靠寫入，寫100次 tmp=Write_Command_SD(CMD); retry++; if(retry==100) { return(tmp);//sendcommamdError! } } while(tmp!=0); //在寫之前先產生100個時鐘信號 for(i=0;i<100;i++) { Read_Byte_SD(); } //寫入開始字節 Write_Byte_MMC(0xFE); //現在可以寫入512個字節 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)//寫入的512個字節是未被接受 { SPI_CS=1; return(WRITE_BLOCK_ERROR);//Error! } //等到SD卡不忙為止 //因為數據被接受后，SD卡在向儲存陣列中編程數據 while(Read_Byte_MMC()!=0xff){}; //禁止SD卡 SPI_CS=1; return(0);//寫入成功 } 此上內容在筆者的實驗中都已調試通過。單片機采用STC89LE單片機（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，或進行分壓處理），工作于22.1184M的時鐘下，由于所采用的單片機中沒硬件SPI，采用軟件模擬SPI，因此讀寫速率都較慢。如果要半SD卡應用于音頻、視頻等要求高速場合，則需要選用有硬件SPI的控制器，或使用SD模式，當然這就需要各位讀者對SD模式加以研究，有了SPI模式的基礎，SD模式應該不是什么難事。
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