嵌入式系统的SD卡接口技术分析与研究

摘要 SD卡是一种基于半导体快闪记忆器开发的新一代记忆设备，被广泛应用于各种便携装置上。许多嵌入式设备也选择使用SD卡提高系统的稳定性、降低成本。文中分析了嵌入式系统的特点，然后，就基于嵌入式系统的SD卡接口硬件设计和软件设计进行了探讨。
关键词 嵌入式系统；SD卡；接口硬件设计

    SD卡是一种基于半导体快闪记忆器开发的新一代记忆设备，目前SD卡被广泛应用于各种便携式装置上，一般重量约为2 g，拥有较好的安全性、移动灵活性、快速数据传输率和高记忆容量。许多嵌入式设备都选择使用SD卡以提高系统的稳定性、降低成本。

1 嵌入式系统的特点
    因为嵌入式系统是一种特殊的计算机系统，所以它和计算机系统一样，由软件和硬件构成。以PC为代表的通用计算机系统和嵌入式系统相比，不同的嵌入式系统有不同的特点，但是其主要特点一样。
    (1)嵌入式系统是一种专用计算机系统。嵌人式系统的软件和硬件是针对特定任务和应用对象进行设计的，具有较强的多样性和专用性。嵌入式系统所能够提供的功能，均可提前预知，相对较为固定。
    (2)嵌入式系统需要满足环境对其的要求。因为嵌入式系统需要被嵌入到特定的对象系统之中，所以它必须满足对象系统对嵌入式系统的环境要求，例如能耗少、成本低以及电气环境、物理环境等特定要求，除此之外还需要满足对压力、湿度、温度这些自然环境的要求。
    (3)嵌入式系统是集各行业应用和计算机技术为一体的集成系统。嵌入式系统是利用先进的电子技术、半导体技术、计算机技术与其他各行业应用相结合后的产物，这个特定就决定了嵌人式系统是一个不断创新、高度分散、资金密集、技术密集的知识集成系统。
    (4)嵌入式系统与其他产品相比，有很长的生命周期。嵌入式系统能够紧密地应用于实际生产，它的更新换代与实际的产品同时进行，所以基于嵌入式系统开发的产品，得具有强大的竞争力和很长的生命周期。

2 基于嵌入式系统的SD卡接口硬件设计
    SD卡的接口可以支持两种操作模式：一种是SD卡模式，另一种是SPI模式。SD接口允许1～4线数据信号设置。加电后，SD卡使用DAT0。初始化后，主机可以改变线宽。Freescale公司设计开发的MCF51QE128是一款32位低功耗嵌入式微控制器，该嵌入式微控制器采用SPI的模式实现和SD卡的接口。因为MCF51QE128的最佳工作电压为3．6 V，功耗较低，可以和SD卡的工作电压进行兼容处理，可以无需利用电平转换电路，可以直接与SD卡连接，这里选用嵌入式微控制器的第2个SPI口，硬件连接如图1所示。SD卡的接口主要能支持两种操作模式：一种是SD卡模式；另一种是SPI模式。主机系统可以根据需要，选择一种模式，SD卡的可以允许4线同时进行数据传输。接到复位命令时，低电平有效，
SPI模式启用。SPI模式可以允许那些简单且通用的SPI通道接口，SPI模式与SD模式相比而言，丧失了速度优势。

3 基于嵌入式系统的SD卡接口软件设计
    SD卡接口软件设计，就是SD卡与嵌入式设备接触时的接口驱动程序。驱动程序要实现相应XXX_Open()，XXX_Close()等响应的流式设备接口函数，其中XXX为设备驱动的前缀，应用程序可以通过文件操作来控制设备。例如：hDevice=Activate DeviceEx(szRegKey_SDMMC，NU-LL，0，NULL)；／*加载SD／MMC卡驱动*／这个驱动代码可以判断SD卡插入事件。同时，SD卡的数据传输，基本是通过块的读写实现。当块进行读取时，可以发送命令CMD17，接收到的应答信号为0x00。这样就能够直接来接收SD卡数据，接收到的数据的第1 Byte为数据令牌0xfe，后面为接收到的数据，当输出口变为高电平时，表明读取操作完成，SD卡的读操作与写操作相同。
    为降低系统功耗，非活跃线程平时是被挂起的。如果总线上挂有多个SD卡，就需要用CMD7命令退出当前SD卡，选择其他CD卡操作。CMD7命令为选择卡或取消卡，在初始化的时候发送CMD7命令，SD卡将进入数据发送模式，在数据模式里发送CMD7则退出当前卡的操作。需要注意的是，在数据模式里不同的状态只支持特定命令，如在数据模式里发送读ID指令则无效。同时，为减少SD Host驱动程序设计的复杂性，使其具有较好的可移植性，可以采用Bsquare提供的SD Host DDK，它在Bsquare SD协议栈的基础上，提供了平台独立的总线、客户端驱动和一组标准化的API供使用。在该体系结构下，SD主控制器驱动负责检查SD卡的插拔状态，检测插入卡的类型，设置SD主控制器时钟等SD接口的硬件操作；SD总线驱动则负责上层卡驱动的装载和移除，维护每一个插槽的总线请求队列等。该结构的设计很大程度上减少了SD Host驱动程序设计的复杂性，使SD Host控制器驱动程序设计可以专注于硬件相关的部分。总线驱动是SD卡客户端驱动程序和SDHost驱动程序之间的一个抽象层，它为SD卡客户端驱动提供平台独立的服务接口。SD Host驱动程序需要完成处理器和硬件平台相关的处理，向上层驱动提供统一的服务接口。

4 结束语
    SD卡是目前广泛应用的可擦除的大容量存储设备，其接口设计可作为各类嵌入式系统中存储单元的一般解决方案。