原创 SD卡在单片机上的应用

文章来源：振南单片机讲坛

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。