1  SD卡標(biāo)準(zhǔn)

　　SD卡標(biāo)準(zhǔn)是SD卡協(xié)會針對可移動存儲設(shè)備設(shè)計專利并授權(quán)的一種標(biāo)準(zhǔn)，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

圖1  SD卡外形

　　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。

表1  SD卡引腳功能

　　SD模式多用于對SD卡讀寫速度要求較高的場合，SPI模式則是以犧牲讀寫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(shù)高性能單片機(jī)都配備了SPI硬件接口，硬件連接相對簡單，因此，在對SD卡讀寫速度要求不高的情況下，采用SPI模式無疑是一個不錯的選擇。

1.2  SPI模式

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

　　SD卡的命令列表都是以CMD和ACMD開頭，分別指通用命令和專用命令，后面接命令的編號。例如，CMD17就是一個通用命令，用來讀單塊數(shù)據(jù)。

　　在SPI模式中，命令都是以如下的6字節(jié)形式發(fā)送的：

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

表2  R1響應(yīng)格式

　　SD卡的每條命令都會返回對應(yīng)的響應(yīng)類型。在SPI模式下，共有3種響應(yīng)類型：R1、R2和R3，分別占1、2和3個字節(jié)。這里僅列出了R1響應(yīng)的格式，如表2所列。當(dāng)出現(xiàn)表中所描述的狀態(tài)時，相應(yīng)的位置1。R2和R3的第1個字節(jié)格式與R1完全一樣，詳細(xì)內(nèi)容請參考SD卡標(biāo)準(zhǔn)。

2  硬件設(shè)計

　　本設(shè)計選用Freescale公司的32位低功耗微控制器MCF51QE128，采用SPI模式實現(xiàn)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，無需電平轉(zhuǎn)換電路。這里選用的是MCF51QE128的第2個SPI口，硬件連接如圖2所示。

圖2  SD卡與MCF51QE128的硬件連接

3  軟件實現(xiàn)

　　軟件部分主要實現(xiàn)MCF51QE128的初始化、底層SPI通信，以及SD卡的通用寫命令、初始化和單塊數(shù)據(jù)的讀寫等功能。

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：

//定義片選信號
#define select_card() PTDD_PTDD3 = 0
#define unselect_card()  PTDD_PTDD3 = 1
void MCU_Init(void) {
　　SOPT1 = 0x23;//關(guān)看門狗
　　SCGC1 = 0x00;//禁用其他外設(shè)的總線時鐘
　　SCGC2 = 0x02;//開SPI2模塊的總線時鐘
　　PTDDD = 0x08;//SPI片選信號由軟件設(shè)置
}
void SPI_Init (void) {
　　SPI2BR = 0x44;//設(shè)初始SPI時鐘為400 kHz
　　SPI2C1 = 0xD0;//SPI 中斷允許，系統(tǒng)中斷允許，主模式選擇
　　SPI2C2 = 0x00;
}

3.2  底層SPI通信

　　底層的SPI通信是實現(xiàn)最終讀寫的關(guān)鍵。由于MCF51QE128自帶SPI硬件接口，因此只需要讀寫SPI數(shù)據(jù)寄存器的值。這里自定了byte、word和dword三種數(shù)據(jù)類型，分別對應(yīng)于8位、16位和32位數(shù)據(jù)。代碼如下：

byte SPI_ReadByte(void) {//SPI讀字節(jié)函數(shù)
　　while (!SPI2S_SPTEF);//等待，直到發(fā)送寄存器為空
　　SPI2D = 0xff;//接收1字節(jié)數(shù)據(jù)
　　while (!SPI2S_SPRF);
　　return SPI2D;
}
byte SPI_WriteByte(byte val) {//SPI寫字節(jié)函數(shù)
　　while ((!SPI2S_SPTEF)&&(!PTDD_PTDD3));//等待，直到發(fā)送寄存器為空
　　SPI2D = val;//發(fā)送數(shù)據(jù)
}

3.3  SD卡的通用寫命令

　　由于SD卡的命令具有統(tǒng)一的格式，因此可以用一個通用的寫命令函數(shù)來實現(xiàn)所有命令的發(fā)送。另外，考慮到多數(shù)命令的響應(yīng)類型都是R1，這里的通用寫命令函數(shù)所接收的響應(yīng)類型默認(rèn)為R1。函數(shù)代碼如下：

byte SD_SendCommand_R1(byte cmd, dword arg) {
　　byte i,r1;
　　SPI_WriteByte(0xff);//等待幾個時鐘周期
　　SPI_WriteByte((byte)(cmd|0x40));//寫入命令號
　　SPI_WriteByte((byte)(arg>>24));//4字節(jié)命令參數(shù)
　　SPI_WriteByte((byte)(arg>>16));
　　SPI_WriteByte((byte)(arg>>8));
　　SPI_WriteByte((byte)(arg));
　　SPI_WriteByte((byte)(cmd == 0x00? 0x95 : 0xff));//CRC校驗和
　　for(i = 0; i < 10; ++i) {//接收響應(yīng)
　　　　r1 = SPI_ReadByte();
　　　　if(r1 != 0xff) break;
　　}
　　return r1;
}

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時鐘降低到400 kHz，等待至少74個時鐘周期。接著拉低片選信號，并發(fā)送CMD0命令，對SD卡進(jìn)行復(fù)位并使其進(jìn)入SPI模式，這里需要正確的CRC校驗，校驗字節(jié)為0x95。若SD卡進(jìn)入空閑狀態(tài)（即接收響應(yīng)為0x01時），則發(fā)送CMD1命令，激活卡的初始化過程，此時響應(yīng)為0x00。然后設(shè)置塊的長度，一般為512字節(jié)。最后將片選拉高并將SPI時鐘設(shè)為最大值，以保證最大的讀寫速度。SD卡初始化過程如圖3所示。

圖3  SD卡初始化過程

　　SD卡初始化代碼如下：

byte SD_Init(void) {
　　word i;
　　byte response;
　　for(i=0;i<10;i++)SPI_ReadByte();//等待至少74個時鐘周期
　　select_card();//片選拉低
　　for(i = 0; ; i++) {
　　　　response = SD_SendCommand_R1(0x00,0);//發(fā)送CMD0
　　　　if(response == 0x01) break;//進(jìn)入空閑狀態(tài)
　　　　if(i == 0x1ff) {
　　　　　　unselect_card();
　　　　　　return 0;
　　　　}
　　}
　　for(i = 0; ; i++) {
　　　　response = SD_SendCommand_R1(0x01,0);//發(fā)送CMD1，激活卡的初始化
　　　　if(response == 0x00) break;
　　　　if(i == 0x1ff) {
　　　　　　unselect_card();
　　　　　　return 0;
　　　　}
　　} 
　　if(SD_SendCommand_R1(0x10, 512)) {//設(shè)置塊長度為512字節(jié)
　　　　unselect_card();
　　　　return 0;
　　}
　　unselect_card();//片選拉高SPI2BR = 0x40;選擇最高SPI時鐘
　　return 1;
}

3.5  SD卡單塊數(shù)據(jù)讀寫

　　SPI模式支持單塊和多塊數(shù)據(jù)的讀寫操作，可通過發(fā)送相應(yīng)的命令來實現(xiàn)。讀單塊數(shù)據(jù)的操作過程如圖4所示。拉低片選后，首先由主控制器MCF51QE128發(fā)送讀單塊數(shù)據(jù)命令CMD17，然后等待SD卡的響應(yīng)。當(dāng)收到數(shù)據(jù)塊開始標(biāo)志0xfe后，開始從SD卡讀取512字節(jié)的數(shù)據(jù)，最后讀取2字節(jié)的CRC校驗位。

圖4  讀單塊數(shù)據(jù)操作

　　讀單塊數(shù)據(jù)的函數(shù)代碼如下：

byte SD_ReadSingleBlock(byte data[], dword sector) {
　　word i;
　　select_card();
　　if(SD_SendCommand_R1(0x11, sector)) {//發(fā)送讀單塊數(shù)據(jù)命令CMD17
　　　　unselect_card();
　　　　return 0;
　　}
　　while(SPI_ReadByte() != 0xfe) ;//等待，直到收到數(shù)據(jù)塊開始標(biāo)志0xfe
　　for(i = 0; i < 512; i++)  data[i] = SPI_ReadByte();//讀512字節(jié)數(shù)據(jù)塊
　　SPI_ReadByte();//讀16位CRC校驗
　　SPI_ReadByte();
　　unselect_card();
　　SPI_ReadByte();
　　return 1;
}

　　寫單塊數(shù)據(jù)的操作過程與讀操作類似，如圖5所示。拉低片選后同樣由主控制器MCF51QE128發(fā)送寫單塊數(shù)據(jù)命令CMD24，SD卡正確響應(yīng)后發(fā)送數(shù)據(jù)塊開始標(biāo)志0xfe，接著發(fā)送512字節(jié)數(shù)據(jù)塊和2字節(jié)CRC校驗。

圖5  寫單塊數(shù)據(jù)操作

　　寫入數(shù)據(jù)后，SD卡會發(fā)送1字節(jié)的數(shù)據(jù)響應(yīng)來反饋數(shù)據(jù)寫入的情況，其格式如圖6所示。當(dāng)數(shù)據(jù)正確寫入SD卡后，數(shù)據(jù)響應(yīng)為0x05。最后讀數(shù)據(jù)總線，寫數(shù)據(jù)忙時等待，直到總線為高電平。

圖6  數(shù)據(jù)響應(yīng)格式

　　寫單塊數(shù)據(jù)的函數(shù)代碼如下：

byte SD_WriteSingleBlock(byte data[], dword sector) {
　　word i;
　　byte response;
　　select_card();
　　if(SD_SendCommand_R1(0x18, sector)) {//發(fā)送寫單塊數(shù)據(jù)命令CMD24
　　　　unselect_card();
　　　　return 0;
　　}
　　SPI_WriteByte(0xfe);//發(fā)送數(shù)據(jù)塊開始標(biāo)志0xfe
　　for(i = 0; i < 512; i++)SPI_WriteByte(data[i]);//寫512字節(jié)數(shù)據(jù)塊
　　SPI_WriteByte(0xff); //寫16位CRC校驗
　　SPI_WriteByte(0xff);
　　for(i = 0; ; i++) {//讀數(shù)據(jù)響應(yīng)，判斷數(shù)據(jù)是否//正確寫入
　　　　response = SPI_ReadByte();
　　　　if((response & 0x0f) == 0x05) break;
　　　　if(i == 0x1ff) {
　　　　　　unselect_card();
　　　　　　return 0;
　　　　}
　　}
　　while(SPI_ReadByte() != 0xff) ;//寫數(shù)據(jù)忙時，等待
　　SPI_ReadByte();
　　unselect_card();
　　return 1;
}

結(jié)語

　　SD卡是目前廣泛應(yīng)用的可擦除的大容量存儲設(shè)備，其接口設(shè)計可作為各類嵌入式系統(tǒng)中存儲單元的一般解決方案。本文結(jié)合SD卡標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計。在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步構(gòu)建文件系統(tǒng)，實現(xiàn)對存儲數(shù)據(jù)更有效的管理。