SD卡在单片机上的应用

SD卡在现在的日常生活与工作中使用非常广泛，时下已经成为最为通用的数据存储卡。在诸如MP3、数码相机等设备上也都采用SD卡作为其存储设备。SD卡之所以得到如此广泛的使用，是因为它价格低廉、存储容量大、使用方便、通用性与安全性强等优点。既然它有着这么多优点，那么如果将它加入到单片机应用开发系统中来，将使系统变得更加出色。这就要求对SD卡的硬件与读写时序进行研究。对于SD卡的硬件结构，在官方的文档上有很详细的介绍，如SD卡内的存储器结构、存储单元组织方式等内容。要实现对它的读写，最核心的是它的时序，笔者在经过了实际的测试后，使用51单片机成功实现了对SD卡的扇区读写，并对其读写速度进行了评估。下面先来讲解SD卡的读写时序。

（1） SD卡的引脚定义

SD卡引脚功能详述：

注：S：电源供给 I：输入 O：采用推拉驱动的输出

PP：采用推拉驱动的输入输出

SD卡SPI模式下与单片机的连接图：

SD卡支持两种总线方式：SD方式与SPI方式。其中SD方式采用6线制，使用CLK、CMD、DAT0~DAT3进行数据通信。而SPI方式采用4线制，使用CS、CLK、DataIn、DataOut进行数据通信。SD方式时的数据传输速度与SPI方式要快，采用单片机对SD卡进行读写时一般都采用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。这里只对其SPI方式进行介绍。

（2）SPI方式驱动SD卡的方法

SD卡的SPI通信接口使其可以通过SPI通道进行数据读写。从应用的角度来看，采用SPI接口的好处在于，很多单片机内部自带SPI控制器，不光给开发上带来方便，同时也见降低了开发成本。然而，它也有不好的地方，如失去了SD卡的性能优势，要解决这一问题，就要用SD方式，因为它提供更大的总线数据带宽。SPI接口的选用是在上电初始时向其写入第一个命令时进行的。以下介绍SD卡的驱动方法，只实现简单的扇区读写。

1） 命令与数据传输

1. 命令传输

SD卡自身有完备的命令系统，以实现各项操作。命令格式如下：

命令的传输过程采用发送应答机制，过程如下：

每一个命令都有自己命令应答格式。在SPI模式中定义了三种应答格式，如下表所示：

写命令的例程：

//-------------------------------------------------------------------------
向SD卡中写入命令，并返回回应的第二个字节 
//-------------------------------------------------------------------------
unsigned char Write_Command_SD(unsigned char *CMD) 
{ 
    unsigned char tmp; 
    unsigned char retry=0; 
    unsigned char i; 
    //禁止SD卡片选
    SPI_CS=1; 
    //发送8个时钟信号
    Write_Byte_SD(0xFF); 
    //使能SD卡片选
    SPI_CS=0; 
    //向SD卡发送6字节命令
    for (i=0;i<0x06;i++) 
    { 
        Write_Byte_SD(*CMD++); 
    } 
    //获得16位的回应
    Read_Byte_SD(); //read the first byte,ignore it.
    do 
    { //读取后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，只有进行了正确的初始化，才能进行后面的各项操作。在初始化过程中，SPI的时钟不能太快，否则会造初始化失败。在初始化成功后，应尽量提高SPI的速率。在刚开始要先发送至少74个时钟信号，这是必须的。在很多读者的实验中，很多是因为疏忽了这一点，而使初始化不成功。随后就是写入两个命令CMD0与CMD1，使SD卡进入SPI模式

初始化时序图：

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(); //初始化驱动端口
    Init_Flag=1; //将初始化标志置1
    for (i=0;i<0x0f;i++) 
    { 
        Write_Byte_SD(0xff); //发送至少74个时钟信号
    } 
    //向SD卡发送CMD0
    retry=0; 
    do 
    { //为了能够成功写入CMD0,在这里写200次
        temp=Write_Command_SD(CMD); 
        retry++; 
        if(retry==200) 
        { //超过200次
            return(INIT_CMD0_ERROR); //CMD0 Error!
        } 
    } 
    while(temp!=1); //回应01h，停止写入
    //发送CMD1到SD卡
    CMD[0] = 0x41; //CMD1
    CMD[5] = 0xFF; 
    retry=0; 
    do 
    { //为了能成功写入CMD1,写100次
        temp=Write_Command_SD(CMD); 
        retry++; 
        if(retry==100) 
        { //超过100次
            return(INIT_CMD1_ERROR); //CMD1 Error!
        } 
    } 
    while(temp!=0); //回应00h停止写入
    Init_Flag=0; //初始化完毕，初始化标志清零
    SPI_CS=1; //片选无效
    return(0); //初始化成功
} 

3） 读取CID

CID寄存器存储了SD卡的标识码。每一个卡都有唯一的标识码。

CID寄存器长度为128位。它的寄存器结构如下：

它的读取时序如下：

与此时序相对应的程序如下：

//------------------------------------------------------------
读取SD卡的CID寄存器  16字节  成功返回0 
//------------------------------------------------------------
unsigned char Read_CID_SD(unsigned char *Buffer) 
{ 
    //读取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）读取CSD

CSD（Card-Specific Data）寄存器提供了读写SD卡的一些信息。其中的一些单元可以由用户重新编程。具体的CSD结构如下：

读取CSD 的时序：

相应的程序例程如下：

//-------------------------------------------------------------------
读SD卡的CSD寄存器  共16字节  返回0说明读取成功 
//-------------------------------------------------------------------
unsigned char Read_CSD_SD(unsigned char *Buffer) 
{ 
    //读取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） 读取SD卡信息 
综合上面对CID与CSD寄存器的读取，可以知道很多关于SD卡的信息，以下程序可以获取这些信息。如下： 
//----------------------------------------------------------------------
//返回
// SD卡的容量，单位为M
// sector count and multiplier MB are in
u08 == C_SIZE / (2^(9-C_SIZE_MULT)) 
// SD卡的名称
//----------------------------------------------------------------------
void SD_get_volume_info() 
{ 
    unsigned char i; 
    unsigned char c_temp[5]; 
    VOLUME_INFO_TYPE SD_volume_Info,*vinf; 
    vinf=&SD_volume_Info; //Init the pointoer;
    /读取CSD寄存器 
    Read_CSD_SD(sectorBuffer.dat); 
    //获取总扇区数
    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; 
    // 获取multiplier
    vinf->sector_multiply = sectorBuffer.dat[9] & 0x03; 
    vinf->sector_multiply <<= 1; 
    vinf->sector_multiply += (sectorBuffer.dat[10] & 0x80) >> 7; 
    //获取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->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; //end flag
} 
以上程序将信息装载到一个结构体中，这个结构体的定义如下： 
typedef struct SD_VOLUME_INFO 
{ //SD/SD Card info
    unsigned int size_MB; 
    unsigned char sector_multiply; 
    unsigned int sector_count; 
    unsigned char name[6]; 
} VOLUME_INFO_TYPE; 

5） 扇区读

扇区读是对SD卡驱动的目的之一。SD卡的每一个扇区中有512个字节，一次扇区读操作将把某一个扇区内的512个字节全部读出。过程很简单，先写入命令，在得到相应的回应后，开始数据读取。

扇区读的时序：

扇区读的程序例程：

unsigned char SD_Read_Sector(unsigned long sector,unsigned char *buffer) 
{ 
    unsigned char retry; 
    //命令16
    unsigned char CMD[] = {0x51,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF}; 
    unsigned char temp; 
    //地址变换  由逻辑块地址转为字节地址
    sector = sector << 9; //sector = sector * 512
    CMD[1] = ((sector & 0xFF000000) >>24 ); 
    CMD[2] = ((sector & 0x00FF0000) >>16 ); 
    CMD[3] = ((sector & 0x0000FF00) >>8 ); 
    //将命令16写入SD卡
    retry=0; 
    do 
    { //为了保证写入命令 一共写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字节被读出到buffer中
    return 0; 
} 
其中SD_get_data函数如下： 
//---------------------------------------------------------
获取数据到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） 扇区写

扇区写是SD卡驱动的另一目的。每次扇区写操作将向SD卡的某个扇区中写入512个字节。过程与扇区读相似，只是数据的方向相反与写入命令不同而已。

扇区写的时序：

扇区写的程序例程：

//-----------------------------------------------------------------
写512个字节到SD卡的某一个扇区中去  返回0说明写入成功 
//-----------------------------------------------------------------
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
    CMD[1] = ((addr & 0xFF000000) >>24 ); 
    CMD[2] = ((addr & 0x00FF0000) >>16 ); 
    CMD[3] = ((addr & 0x0000FF00) >>8 ); 
    //写命令24到SD卡中去
    retry=0; 
    do 
    { //为了可靠写入，写100次
        tmp=Write_Command_SD(CMD); 
        retry++; 
        if(retry==100) 
        { 
            return(tmp); //send commamd Error!
        } 
    } 
    while(tmp!=0); 
    //在写之前先产生100个时钟信号
    for (i=0;i<100;i++) 
    { 
        Read_Byte_SD(); 
    } 
    //写入开始字节
    Write_Byte_MMC(0xFE); 
    //现在可以写入512个字节
    for (i=0;i<512;i++) 
    { 
        Write_Byte_MMC(*Buffer++); 
    } 
    //CRC-Byte
    Write_Byte_MMC(0xFF); //Dummy CRC
    Write_Byte_MMC(0xFF); //CRC Code
    tmp=Read_Byte_MMC(); // read response
    if((tmp & 0x1F)!=0x05) // 写入的512个字节是未被接受
    { 
        SPI_CS=1; 
        return(WRITE_BLOCK_ERROR); //Error!
    } 
    //等到SD卡不忙为止
    //因为数据被接受后，SD卡在向储存阵列中编程数据
    while (Read_Byte_MMC()!=0xff){}; 
    //禁止SD卡
    SPI_CS=1; 
    return(0); //写入成功
} 

此上内容在笔者的实验中都已调试通过。单片机采用STC89LE单片机（SD卡的初始化电压为2.0V~3.6V，操作电压为3.1V~3.5V，因此不能用5V单片机，或进行分压处理），工作于22.1184M的时钟下，由于所采用的单片机中没硬件SPI，采用软件模拟SPI，因此读写速率都较慢。如果要半SD卡应用于音频、视频等要求高速场合，则需要选用有硬件SPI的控制器，或使用SD模式，当然这就需要各位读者对SD模式加以研究，有了SPI模式的基础，SD模式应该不是什么难事。