SD卡接口实验

SD卡在单片机上的应用以及SD卡引脚 电路图及工作原理介绍 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： 引脚 SD模式 编号 名称 1 2 3 4 5 6 7 8 CD/DAT3 CMD VSS1 VDD CLK VSS2 DAT0 DAT1 SPI模式 类型 描述 数据线3 PP S S I S 命令/ 回应 电源地 VSS 电源 时钟 VDD S S 电源地 电源 时钟 电源地 DI I 数据输入 名称 类型 I 描述 片选 IO或PP 卡检测/ #CS SD卡引脚功能详述： SCLK I 电源地 VSS2 S IO或PP 数据线0 DO IO或PP 数据线1 RSV O或PP 数据输出 IO或PP 数据线2 RSV 9 DAT2 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：

字节 位 1 7 6 5 4 3 2 1 0 字节 1 含义 开始位，始终为0 参数错误 地址错误 擦除序列错误 CRC错误 非法命令 擦除复位 闲置状态 位 含义 7 开始位，始终为0 6 参数错误 5 地址错误 4 擦除序列错误 3 CRC错误 2 非法命令 1 擦除复位 0 闲置状态 2 7 溢出，CSD覆盖 6 擦除参数 5 写保护非法 4 卡ECC失败 3 卡控制器错误 2 未知错误 1 写保护擦除跳过，锁／解锁失败 0 锁卡 字节 位 1 7 6 5 4 3 2 1 0 含义 开始位，始终为0 参数错误 地址错误 擦除序列错误 CRC错误 非法命令 擦除复位 闲置状态 2～5 全部 操作条件寄存器，高位在前 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

{temp=Write_Command_SD(CMD); //为了能够成功写入CMD0,在这里写200次 retry++; if(retry==200)

{ return(INIT_CMD0_ERROR);//CMD0 Error! //超过200次 } }

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： 名称 生产标识号 域 MID 数据宽度 CID划分 8 16 40 8 32 4 7 1 [127:120] [119:104] [103:64] [63:56] [55:24] [23:20] [19:8] [7:1] [0:0] OEM/应用标识 OID 产品名称 产品版本 产品序列号 保留 生产日期 CRC7校验合 PNM PRV PSN － MDT 12 CRC 未使用，始终为1 － 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： 名称 CSD结构 保留 数据读取时间1 取时间2（NSAC*100） 最大数据传输率 卡命令集合 最大读取数据块长 允许读的部分块 非线写块 非线读块 DSR条件 保留 设备容量 min 最大读取电流@VDD VDD_R_CURR_MAX max 最大写电流@VDD min 最大写电流@VDD max 设备容量乘子 擦除单块使能 擦除扇区大小 写保护群大小 写保护群使能 保留 写速度因子 最大写数据块长度 C_SIZE_MULT ERASE_BLK_EN SECTOR_SIZE WP_GRP_SIZE WP_GRP_ENABLE - R2W_FACTOR WRITE_BL_LEN 3 1 7 7 1 2 3 4 R R R R R R R R [49:47] [46:46] [45:39] [38:32] [31:31] [30:29] [28:26] [25:22] VDD_W_CURR_MAX 3 R [52:50] VDD_W_CURR_MIN 3 R [55:53] 3 R [58:56] TRAN_SPEED CCC READ_BL_LEN READ_BL_PARTIAL WRITE_BLK_MISALIGN READ_BLK_MISALIGN DSR_IMP - C_SIZE 8 12 4 1 1 1 1 2 12 3 R R R R R R R R R R [103:96] [95:84] [83:80] [79:79] [78:78] [77:77] [76:76] [75:74] [73:62] [61:59] 域 CSD_STRUCTURE - TAAC 数据单元类CSD划分 宽度 型 2 6 8 8 R R R R [127:126] [125:120] [119:112] [111:104] 数据在CLK周期内读NSAC 最大读取电流@VDD VDD_R_CURR_MIN 允许写的部分部 保留 文件系统群 拷贝标志 永久写保护 暂时写保护 文件系统 保留 CRC 未用，始终为1 读取CSD 的时序： WRITE_BL_PARTIAL - FILE_OFRMAT_GRP COPY PERM_WRITE_PROTECT TMP_WRITE_PROTECT FIL_FORMAT - CRC - 1 5 1 1 1 1 2 2 7 1 R R [21:21] [20:16] R/W [15:15] R/W [14:14] R/W [13:13] R/W [12:12] R/W [11:10] R/W [9:8] R/W [7:1] [0:0] 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 retry; //命令16

unsigned char SD_Read_Sector(unsigned long sector,unsigned char *buffer)

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

*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。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gc7v.html