SD卡在單片機(jī)上的應(yīng)用以及SD卡引腳 電路圖及工作原理介紹

1、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，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，并對(duì)其讀寫速度進(jìn)行了評(píng)估。下面

2、先來(lái)講解SD卡的讀寫時(shí)序。1） SD卡的引腳定義： SD卡引腳功能詳述：引腳編號(hào)SD模式 SPI模式名稱類型描述名稱類型描述1CD/DAT3IO或PP卡檢測(cè)/數(shù)據(jù)3#CSI片選2CMDPP命令/回應(yīng)DII數(shù)據(jù)輸入3VSS1S電源地VSSS電源地4VDDS電源VDDS電源5CLKI時(shí)鐘SCLKI時(shí)鐘6VSS2S電源地VSS2S電源地7DAT0IO或PP數(shù)據(jù)線0DOO或PP數(shù)據(jù)輸出8DAT1IO或PP數(shù)據(jù)線1RSV 9DAT2IO或PP數(shù)據(jù)線2RSV 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SPI模式下與單片機(jī)的連接圖： SD卡支持兩種總線方式：SD方

3、式與SPI方式。其中SD方式采用6線制，使用CLK、CMD、DAT0DAT3進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。而SPI方式采用4線制，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。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

4、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€數(shù)據(jù)帶寬。SPI接口的選用是在上電初始時(shí)向其寫入第一個(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。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：字節(jié)位含義 17開(kāi)始位，始終為06參數(shù)錯(cuò)誤5地址錯(cuò)誤4擦除序列錯(cuò)誤3CRC錯(cuò)誤2非法命令1擦除復(fù)位0閑置狀態(tài)字節(jié)位含義 17開(kāi)始位，始終為06參數(shù)錯(cuò)誤5地址錯(cuò)誤4擦除序列錯(cuò)誤3CRC錯(cuò)誤2非法命

5、令1擦除復(fù)位0閑置狀態(tài) 27溢出，CSD覆蓋6擦除參數(shù)5寫保護(hù)非法4卡ECC失敗3卡控制器錯(cuò)誤2未知錯(cuò)誤1寫保護(hù)擦除跳過(guò)，鎖解鎖失敗0鎖卡寫命令的例程：/- 向SD卡中寫入命令，并返回回應(yīng)的第二個(gè)字節(jié)/-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(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

6、=0;i<0x06;i+) Write_Byte_SD(*CMD+); /獲得16位的回應(yīng) 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(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)

7、，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：/- 初始化SD卡到SPI模式/-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(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_

8、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 /為了能夠成功寫入CMD0,在這里寫200次 temp=Write_Command_SD(CMD); retry+; if(retry=200) /超過(guò)200次 return(INIT_CMD0_ERROR);/CMD0 Error! while(temp!=1); /回應(yīng)01h，停止寫入 /發(fā)送CMD1到SD卡 CMD0 = 0x41; /CMD1 CMD5 = 0xFF; retry=0; do /為了能成功寫入CMD1,寫100次 temp=Write_Command_SD(CMD); retr

9、y+; if(retry=100) /超過(guò)100次 return(INIT_CMD1_ERROR);/CMD1 Error! while(temp!=0);/回應(yīng)00h停止寫入 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CIDCID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： 名稱域數(shù)據(jù)寬度CID劃分生產(chǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)MID8127:120OEM/應(yīng)用標(biāo)識(shí)OID16119:104產(chǎn)品名稱PNM40103:64產(chǎn)品版本PRV863:56產(chǎn)品序列號(hào)PSN325

10、5:24保留423:20生產(chǎn)日期MDT1219:8CRC7校驗(yàn)合CRC77:1未使用，始終為110:0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/-unsigned char Read_CID_SD(unsigned char *Buffer) /讀取CID寄存器的命令 unsigned char CMD = 0x4A,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF; unsigned char temp; temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16); /read 16 bytes return(temp);4）

11、讀取CSDCSD（Card-Specific Data）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(jié)構(gòu)如下：名稱域數(shù)據(jù)寬度單元類型CSD劃分CSD結(jié)構(gòu)CSD_STRUCTURE2R127:126保留-6R125:120數(shù)據(jù)讀取時(shí)間1TAAC8R119:112數(shù)據(jù)在CLK周期內(nèi)讀取時(shí)間2（NSAC*100）NSAC8R111:104最大數(shù)據(jù)傳輸率TRAN_SPEED8R103:96卡命令集合CCC12R95:84最大讀取數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)READ_BL_LEN4R83:80允許讀的部分塊READ_BL_PARTIAL1R79:79非線寫塊WRITE_BLK_MISAL

12、IGN1R78:78非線讀塊READ_BLK_MISALIGN1R77:77DSR條件DSR_IMP1R76:76保留-2R75:74設(shè)備容量C_SIZE12R73:62最大讀取電流VDD minVDD_R_CURR_MIN3R61:59最大讀取電流VDD maxVDD_R_CURR_MAX3R58:56最大寫電流VDD minVDD_W_CURR_MIN3R55:53最大寫電流VDD maxVDD_W_CURR_MAX3R52:50設(shè)備容量乘子C_SIZE_MULT3R49:47擦除單塊使能ERASE_BLK_EN1R46:46擦除扇區(qū)大小SECTOR_SIZE7R45:39寫保護(hù)群大小WP

13、_GRP_SIZE7R38:32寫保護(hù)群使能WP_GRP_ENABLE1R31:31保留-2R30:29寫速度因子R2W_FACTOR3R28:26最大寫數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度WRITE_BL_LEN4R25:22允許寫的部分部WRITE_BL_PARTIAL1R21:21保留-5R20:16文件系統(tǒng)群FILE_OFRMAT_GRP1R/W15:15拷貝標(biāo)志COPY1R/W14:14永久寫保護(hù)PERM_WRITE_PROTECT1R/W13:13暫時(shí)寫保護(hù)TMP_WRITE_PROTECT1R/W12:12文件系統(tǒng)FIL_FORMAT2R/W11:10保留-2R/W9:8CRCCRC7R/W7:1未用，始

14、終為1-1 0:0 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/-unsigned char Read_CSD_SD(unsigned char *Buffer) /讀取CSD寄存器的命令 unsigned char CMD = 0x49,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF; unsigned char temp; temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16); /read 16 bytes 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

15、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/ sector count and multiplier MB are inu08 =C_SIZE / (2(9-C_SIZE_MULT)/ SD卡的名稱/-void SD_get_volume_info() unsigned char i; unsigned char c_temp5; VOLUME_INFO_TYPE SD_volume_Info,*vinf; vinf=&SD_volume_Info; /Init the pointoer;/讀取CSD寄存器 Read_CSD_SD(sectorBuffe

16、r.dat);/獲取總扇區(qū)數(shù) vinf->sector_count = sectorBuffer.dat6 & 0x03; vinf->sector_count <<= 8; vinf->sector_count += sectorBuffer.dat7; vinf->sector_count <<= 2; vinf->sector_count += (sectorBuffer.dat8 & 0xc0) >> 6; / 獲取multiplier vinf->sector_multiply = sectorB

17、uffer.dat9 & 0x03; vinf->sector_multiply <<= 1; vinf->sector_multiply += (sectorBuffer.dat10 & 0x80) >> 7;/獲取SD卡的容量 vinf->size_MB = vinf->sector_count >> (9-vinf->sector_multiply); / get the name of the card Read_CID_SD(sectorBuffer.dat); vinf->name0 = sec

18、torBuffer.dat3; vinf->name1 = sectorBuffer.dat4; vinf->name2 = sectorBuffer.dat5; vinf->name3 = sectorBuffer.dat6; vinf->name4 = sectorBuffer.dat7; vinf->name5 = 0x00; /end flag 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：typedef struct SD_VOLUME_INFO /SD/SD Card info unsigned int size_MB; unsigned c

19、har sector_multiply; unsigned int sector_count; unsigned char name6; 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：unsigned char SD_Read_Sector(unsigned long sector,unsigned char *buffer) unsigned char retry; /命令17 u

20、nsigned char CMD = 0x51,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF; unsigned char temp; /地址變換 由邏輯塊地址轉(zhuǎn)為字節(jié)地址 sector = sector << 9; /sector = sector * 512 CMD1 = (sector & 0xFF000000) >>24 ); CMD2 = (sector & 0x00FF0000) >>16 ); CMD3 = (sector & 0x0000FF00) >>8 ); /將命令17寫入SD卡 retry=0;

21、 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); /block write Error! while(temp!=0); /Read Start Byte form MMC/SD-Card (FEh/Start Byte)/Now data is ready,you can read it out. while (Read_Byte_MMC() != 0xfe); readPos=0; SD_get_data(512,buffer) ; /512字

22、節(jié)被讀出到buffer中 return 0;其中SD_get_data函數(shù)如下：/- 獲取數(shù)據(jù)到buffer中/-void SD_get_data(unsigned int Bytes,unsigned char *buffer) unsigned int j; for (j=0;j<Bytes;j+) *buffer+ = Read_Byte_SD();6） 扇區(qū)寫扇區(qū)寫是SD卡驅(qū)動(dòng)的另一目的。每次扇區(qū)寫操作將向SD卡的某個(gè)扇區(qū)中寫入512個(gè)字節(jié)。過(guò)程與扇區(qū)讀相似，只是數(shù)據(jù)的方向相反與寫入命令不同而已。 扇區(qū)寫的時(shí)序： 扇區(qū)寫的程序例程：/- 寫512個(gè)字節(jié)到SD卡的某一個(gè)扇區(qū)中去 返

23、回0說(shuō)明寫入成功/-unsigned char SD_write_sector(unsigned long addr,unsigned char *Buffer) unsigned char tmp,retry; unsigned int i; /命令24 unsigned char CMD = 0x58,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF; addr = addr << 9; /addr = addr * 512 CMD1 = (addr & 0xFF000000) >>24 ); CMD2 = (addr & 0x00FF0000) >>16 ); CMD3 = (addr & 0x0000FF00) >>8 ); /寫命令24到SD卡中去 retry=0; do /為了可靠寫入，寫10