基于SD存储技术及其S3C2410的研究应用

SD存储卡是一个完全开放的标准(系统)，多MP3、数码摄像用于机、数码相机、电子图书、AV器材等等，尤其是被广泛应用在超薄数码相机上。

本文首先介绍了SD Memory Card ( Secure D ig ita l MemoryCard)的基本结构和原理,着重对SD 卡的命令字和操作流程进行介绍。接着研究了三星32位嵌入式处理器S3C2410与SD 卡硬件接口电路及其对SD卡的基本读写操作方式。

1 引言

SD卡( Secure DigitalMemory Card)是一种基于Flash的新一代存储器,它着重数据存储的安全、容量和性能,是许多便携式电子产品如数码相机、手提电话, PDA 等理想的外部存储介质。

2　SD的基本概念

2. 1　SD的通信协议

SD卡系统可以在两种通信协议下工作: SD协议和SP I协议。用户可以在硬件初始化时自由选择SD卡系统的通信协议。对于特定的硬件电路,用户只需使用一种通信协议即可。

本文根据笔者的硬件,仅讨论最常用的SD协议。

2. 2　SD数据传输方式

SD支持两种数据传输方式: 1 - bit方式(标准总线)和4- bit方式(宽总线) 。在1 - bit方式下,数据仅仅在数据线0(DAT[ 0 ] ) 上传输。在4 - bit方式下, 数据在4 根数据线(DAT[ 3: 0 ] )上同时传输。在4 - bit数据传输方式下,最高的数据传输速率可达100Mb / sec。表1列出了在两种方式下SD接口信号的定义。

上电后, 缺省状态下系统工作于1 - bit方式。在SD卡处于传输状态时, 用户可以自由地更改为1 - bit或4 - bit方式。

2. 3　SD 通信原理

SD总线是一个星型的总线结构,系统中允许有一个主控器,最多可达十个从设备( SD卡) 。在系统初始化时,主控器分别为每一个设备分配一个设备地址,此后主控器就可以根据此设备地址独立操作该设备。

SD总线通信是基于命令和数据位流的,每一个数据流都包括一个起始位和一个结束位。

每一个SD命令表征一个卡操作的开始。SD命令由命令线(CMD)进行传输。

SD卡在接收到命令后,会向主控器发送一个应答信号,表征已经接收了一个命令。应答信号传输在CMD线上。有小部分的命令是没有应答信号的,这取决于命令的类型。

SD数据传输是双向。所有的数据传输都在数据线上进行。

2. 4　SD系统中的数据组织格式

SD系统中的命令传输、应答信号传输和数据传输都有各自专门的组织形式,如图1。

所有的命令字、应答和数据的第一位都为起始位“0”,最后一位为结束位“1”。

命令字和应答中的第二位为发送者标志位,“1”表示主控器命令,“0”表示SD卡应答信号。

SD卡根据所接收命令字的不同,有R1, R2, R3和R6四种不同的应答,具体可参考SD相关文档。

在进行数据传输时,如果使用宽总线传输方式,同一时间有四位数据在传输,分别使用四根数据线。每根数据线上的CRC校验码是独立计算的。

3　SD卡操作流程

SD系统所有的通信都由主控器控制。主控器必须负责系统的初始化,设置通信中必需的各种参数,然后再发起数据读取或写入操作。在这一系列过程中, SD卡可能处于如表2所示的各种状态中的一种。

3. 1　系统初始化

此阶段系统的操作模式属于卡鉴别模式。

主控制器首先发送命令字CMD0重置所有系统中处于鉴别模式中的卡。接收到命令CMD0后, SD卡将被初始化,并获得一个缺省的地址0 (相对卡地址寄存器RCA = 0x0) 。

接着主控器以自己要求的工作电压范围为参数发送命令ACMD41查询SD卡的OCR (工作环境寄存器) 。工作电压不在此要求范围内的卡将被排除在进一步的总线操作之外并进入非活动状态。符合电压范围要求的卡将进入就绪状态。

紧接下来主控器发送命令CMD2以获得SD卡的标识号CID。SD卡发送了CID号后进入识别状态。

最后,主控器以相对地址为参数发送命令CMD3, SD卡接收到命令后用该参数更新自己的RCA。此后主控器就可以使用此地址寻址该卡。

初始化完成后, SD卡就处于了数据传输模式的等待状态,这是数据传输模式的初始状态。此时通过卡选择命令CMD7就进入传输状态,可以进行数据的写入与读出了。

3. 2　SD写操作

SD卡的读写是以数据块为基本单位的。数据块的大小因卡而异,通常块大小为512字节(Byte)到2048字节。特定卡的数据块的大小在卡的特性寄存器(CSD)中有定义。特殊情况下,部分卡支持小块(最小可以字节为单位)读写。但推荐以块为单位进行读写。

SD卡支持单块写入和多块写入。单块写入使用命令CMD24,多块写入使用命令CMD25。当有多个数据块要写入时,使用多块写入要比多次执行单块写入能获得更高的效率。

由于SD卡内部具有缓存区,上述过程SD卡处于接收数据状态,接收到的数据并未真正写入到SD卡的记忆体(memo2ry)内,而是存放在SD卡的缓存区内。当接收数据完成后, SD卡自动进入数据编程状态,这才真正地把数据写入SD卡的记忆体内。

3. 3　SD读操作

与写操作对应, SD卡支持单块读取和多块读取。单块读取使用命令CMD17,多块读取使用命令CMD18。当有多个数据块要读取时,使用多块读取要比多次执行单块读取能获得更高的效率。

4　基于S3C2410的应用

三星的S3C2410是一款32位嵌入式处理器,其内建了一个SD主控器,兼容SD 1. 0、MMC 2. 11和SD IO 1. 0版本。使用S3C2410可以方便地与SD卡接口。

4. 1　S3C2410和SD卡的接口

S3C2410与SD卡的接口如图2所示。其中nCD_SD为卡侦测信号,WP_SD为卡的写保护信号。对于简单的写操作,只需在写入前检测WP_SD位。

4. 2　使用S3C2410对SD卡进行读写

在通常的SD读写操作中,可以使用查询方式、中断方式或DMA。当SD卡处于传输状态后,先重置S3C2410发送缓冲区、选择总线宽度、选择读数据或写数据、选择读写数据块的数量,选择读写数据块的起始地址,写入读或写命令字,然后根据要读写的数据块数目连续地从/向SD数据缓冲区中读出或写入一个或多个数据块。以下代码可以使用查询方式向SD卡写入一个或多个数据块:

对SD卡进行读操作的流程与写操作类似,仅是使用的命令字不同。用户可根据写操作代码进行修改。

5　结束语

随着越来越多的电子产品支持SD存储卡, SD卡的应用范围越来越广。由32位嵌入式处理器S3C2410和SD卡结合构成的存储系统,为用户提供了安全、轻便的存储解决方案。SD卡功能较多,所有操作并非本文能讲述清楚的。但通过本文的介绍,读者可以对SD有一个概念上的了解,并清楚其基本的操作过程,进而加以延伸。