SD卡接口設計[附硬件電路和程序]

　　1 SD卡標準

　　SD卡標準是SD卡協(xié)會(huì )針對可移動(dòng)存儲設備設計專(zhuān)利并授權的一種標準，主要用于制定卡的外形尺寸、電氣接口和通信協(xié)議。

　　1．1 SD卡引腳功能

　　SD卡的外形如圖1所示，引腳功能如表1所列。SD卡的引腳具有雙重功能，既可工作在SD模式，也可工作在SPI模式。不同的模式下，引腳的功能不同。

　　SD模式多用于對SD卡讀寫(xiě)速度要求較高的場(chǎng)合，SPI模式則是以犧牲讀寫(xiě)速度換取更好的硬件接口兼容性。由于SPI協(xié)議是目前廣泛流行的通信協(xié)議，大多數高性能單片機都配備了SPI硬件接口，硬件連接相對簡(jiǎn)單，因此，在對SD卡讀寫(xiě)速度要求不高的情況下，采用SPI模式無(wú)疑是一個(gè)不錯的選擇。

　　1．2 SPI模式

　　SPI模式是一種簡(jiǎn)單的命令響應協(xié)議，主控制器發(fā)出命令后，SD卡針對不S同的命令返回對應的響應。

　　SD卡的命令列表都是以CMD和ACMD開(kāi)頭，分別指通用命令和專(zhuān)用命令，后面接命令的編號。例如，CMD17就是一個(gè)通用命令，用來(lái)讀單塊數據。

　　在SPI模式中，命令都是以如下的6字節形式發(fā)送的：

　　每幀命令都以“01”開(kāi)頭，然后是6位命令號和4字節的參數（高位在前，低位在后），最后是7位CRC校驗和1位停止位“1”。

　　SD卡的每條命令都會(huì )返回對應的響應類(lèi)型。在SPI模式下，共有3種響應類(lèi)型：R1、R2和R3，分別占1、2和3個(gè)字節。這里僅列出了R1響應的格式，如表2所列。當出現表中所描述的狀態(tài)時(shí)，相應的位置1。R2和R3的第1個(gè)字節格式與R1完全一樣，詳細內容請參考SD卡標準。

　　2 硬件設計

　　本設計選用Freescale公司的32位低功耗微控制器MCF51QE128，采用SPI模式實(shí)現與SD卡的接口。

　　由于MCF51QE128是一款低功耗的微控制器，工作電壓的典型值為3．6 V，與SD卡的工作電壓兼容，因而可以直接與SD卡連接，無(wú)需電平轉換電路。這里選用的是MCF51 QE128的第2個(gè)SPI口，硬件連接如圖2所示。

　　3 軟件實(shí)現

　　軟件部分主要實(shí)現MCF51QE128的初始化、底層SPI通信，以及SD卡的通用寫(xiě)命令、初始化和單塊數據的讀寫(xiě)等功能。

　　3．1 MCF51QE128的初始化

　　在與SD卡通信之前，首先需要配置MCF51QE128，并初始化SPI端口。代碼如下：

3．2 底層SPI通信

　　底層的SPI通信是實(shí)現最終讀寫(xiě)的關(guān)鍵。由于MCF51QE128自帶SPI硬件接口，因此只需要讀寫(xiě)SPI數據寄存器的值。這里自定了byte、word和dword三種數據類(lèi)型，分別對應于8位、16位和32位數據。代碼如下：

　　3．3 SD卡的通用寫(xiě)命令

　　由于SD卡的命令具有統一的格式，因此可以用一個(gè)通用的寫(xiě)命令函數來(lái)實(shí)現所有命令的發(fā)送。另外，考慮到多數命令的響應類(lèi)型都是R1，這里的通用寫(xiě)命令函數所接收的響應類(lèi)型默認為R1。函數代碼如下：

　　3．4 SD卡的初始化

　　SD卡的初始化要遵循一定的步驟。首先將SPI時(shí)鐘降低到400 kHz，等待至少74個(gè)時(shí)鐘周期。接著(zhù)拉低片選信號，并發(fā)送CMD0命令，對SD卡進(jìn)行復位并使其進(jìn)入SPI模式，這里需要正確的CRC校驗，校驗字節為0x95。若SD卡進(jìn)入空閑狀態(tài)（即接收響應為0x01時(shí)），則發(fā)送CMD1命令，激活卡的初始化過(guò)程，此時(shí)響應為0x00。然后設置塊的長(cháng)度，一般為512字節。最后將片選拉高并將SPI時(shí)鐘設為最大值，以保證最大的讀寫(xiě)速度。SD卡初始化過(guò)程如圖3所示。

　　SD卡初始化代碼如下：

3．5 SD卡單塊數據讀寫(xiě)

　　SPI模式支持單塊和多塊數據的讀寫(xiě)操作，可通過(guò)發(fā)送相應的命令來(lái)實(shí)現。讀單塊數據的操作過(guò)程如圖4所示。拉低片選后，首先由主控制器MCF51QE128發(fā)送讀單塊數據命令CMD17，然后等待SD卡的響應。當收到數據塊開(kāi)始標志0xfe后，開(kāi)始從SD卡讀取512字節的數據，最后讀取2字節的CRC校驗位。

　　讀單塊數據的函數代碼如下：

　　寫(xiě)單塊數據的操作過(guò)程與讀操作類(lèi)似，如圖5所示。拉低片選后同樣由主控制器MCF51QE128發(fā)送寫(xiě)單塊數據命令CMD24，SD卡正確響應后發(fā)送數據塊開(kāi)始標志0xfe，接著(zhù)發(fā)送512字節數據塊和2字節CRC校驗。

　　寫(xiě)入數據后，SD卡會(huì )發(fā)送1字節的數據響應來(lái)反饋數據寫(xiě)入的情況，其格式如圖6所示。當數據正確寫(xiě)入SD卡后，數據響應為0x05。最后讀數據總線(xiàn)，寫(xiě)數據忙時(shí)等待，直到總線(xiàn)為高電平。

　　寫(xiě)單塊數據的函數代碼如下：

　　結 語(yǔ)

　　SD卡是目前廣泛應用的可擦除的大容量存儲設備，其接口設計可作為各類(lèi)嵌入式系統中存儲單元的一般解決方案。本文結合SD卡標準的相關(guān)技術(shù)，基于MCF51QE128微控制器完成了硬件接口和底層通信軟件的設計。在此基礎上，可進(jìn)一步構建文件系統，實(shí)現對存儲數據更有效的管理。