SD卡資料(轉)

SD卡在現在的日常生活與工作中使用非常廣泛，時下已經成為最為通用的資料存儲卡。在諸如MP3、數位相機等裝置上也都采用SD卡作為其儲存設備。SD卡之是以得到如此廣泛的使用，是因為它價格低廉、存儲容量大、使用友善、通用性與安全性強等優點。既然它有着這麼多優點，那麼如果将它加入到單片機應用開發系統中來，将使系統變得更加出色。這就要求對SD卡的硬體與讀寫時序進行研究。對于SD卡的硬體結構，在官方的文檔上有很詳細的介紹，如SD卡内的存儲器結構、存儲單元組織方式等内容。要實作對它的讀寫，最核心的是它的時序，筆者在經過了實際的測試後，使用51單片機成功實作了對SD卡的扇區讀寫，并對其讀寫速度進行了評估。下面先來講解SD卡的讀寫時序。

（1） SD卡的引腳定義：

SD卡引腳功能詳述：

引腳編号	SD模式	SPI模式
名稱	類型	描述	名稱	類型	描述
1	CD/DAT3	IO或PP	卡檢測／資料線3	#CS	I	片選
2	CMD	PP	指令／回應	DI	I	資料輸入
3	VSS1	S	電源地	VSS	S	電源地
4	VDD	S	電源	VDD	S	電源
5	CLK	I	時鐘	SCLK	I	時鐘
6	VSS2	S	電源地	VSS2	S	電源地
7	DAT0	IO或PP	資料線0	DO	O或PP	資料輸出
8	DAT1	IO或PP	資料線1	RSV
9	DAT2	IO或PP	資料線2	RSV

注：S：電源供給 I：輸入 O：采用推拉驅動的輸出

PP：采用推拉驅動的輸入輸出

SD卡SPI模式下與單片機的連接配接圖：

SD卡支援兩種總線方式：SD方式與SPI方式。其中SD方式采用6線制，使用CLK、CMD、DAT0~DAT3進行資料通信。而SPI方式采用4線制，使用CS、CLK、DataIn、DataOut進行資料通信。SD方式時的資料傳輸速度與SPI方式要快，采用單片機對SD卡進行讀寫時一般都采用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。這裡隻對其SPI方式進行介紹。

（2） SPI方式驅動SD卡的方法

SD卡的SPI通信接口使其可以通過SPI通道進行資料讀寫。從應用的角度來看，采用SPI接口的好處在于，很多單片機内部自帶SPI控制器，不光給開發上帶來友善，同時也見降低了開發成本。然而，它也有不好的地方，如失去了SD卡的性能優勢，要解決這一問題，就要用SD方式，因為它提供更大的總線資料帶寬。SPI接口的選用是在上電初始時向其寫入第一個指令時進行的。以下介紹SD卡的驅動方法，隻實作簡單的扇區讀寫。

1）指令與資料傳輸

1. 指令傳輸

SD卡自身有完備的指令系統，以實作各項操作。指令格式如下：

指令的傳輸過程采用發送應答機制，過程如下：

每一個指令都有自己指令應答格式。在SPI模式中定義了三種應答格式，如下表所示：

位元組	位	含義
1	7	開始位，始終為0
6	參數錯誤
5	位址錯誤
4	擦除序列錯誤
3	CRC錯誤
2	非法指令
1	擦除複位
閑置狀态

位元組	位	含義
1	7	開始位，始終為0
6	參數錯誤
5	位址錯誤
4	擦除序列錯誤
3	CRC錯誤
2	非法指令
1	擦除複位
閑置狀态
2	7	溢出，CSD覆寫
6	擦除參數
5	寫保護非法
4	卡ECC失敗
3	卡控制器錯誤
2	未知錯誤
1	寫保護擦除跳過，鎖／解鎖失敗
鎖卡

位元組	位	含義
1	7	開始位，始終為0
6	參數錯誤
5	位址錯誤
4	擦除序列錯誤
3	CRC錯誤
2	非法指令
1	擦除複位
閑置狀态
2～5	全部	操作條件寄存器，高位在前

寫指令的例程：

//-----------------------------------------------------------------------------------------------

向SD卡中寫入指令，并傳回回應的第二個位元組

//-----------------------------------------------------------------------------------------------

unsigned char Write_Command_SD(unsigned char *CMD)

{

unsigned char tmp;

unsigned char retry=0;

unsigned char i;

//禁止SD卡片選

SPI_CS=1;

//發送8個時鐘信号

Write_Byte_SD(0xFF);

//使能SD卡片選

SPI_CS=0;

//向SD卡發送6位元組指令

for (i=0;i<0x06;i++)

{

Write_Byte_SD(*CMD++);

}

//獲得16位的回應

Read_Byte_SD(); //read the first byte,ignore it.

{ //讀取後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，隻有進行了正确的初始化，才能進行後面的各項操作。在初始化過程中，SPI的時鐘不能太快，否則會造初始化失敗。在初始化成功後，應盡量提高SPI的速率。在剛開始要先發送至少74個時鐘信号，這是必須的。在很多讀者的實驗中，很多是因為疏忽了這一點，而使初始化不成功。随後就是寫入兩個指令CMD0與CMD1，使SD卡進入SPI模式

初始化時序圖：

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(); //初始化驅動端口

Init_Flag=1; //将初始化标志置1

for (i=0;i<0x0f;i++)

{

Write_Byte_SD(0xff); //發送至少74個時鐘信号

}

//向SD卡發送CMD0

retry=0;

{ //為了能夠成功寫入CMD0,在這裡寫200次

temp=Write_Command_SD(CMD);

retry++;

if(retry==200)

{ //超過200次

return(INIT_CMD0_ERROR);//CMD0 Error!

}

while(temp!=1); //回應01h，停止寫入

//發送CMD1到SD卡

CMD[0] = 0x41; //CMD1

CMD[5] = 0xFF;

retry=0;

{ //為了能成功寫入CMD1,寫100次

temp=Write_Command_SD(CMD);

retry++;

if(retry==100)

{ //超過100次

return(INIT_CMD1_ERROR);//CMD1 Error!

}

while(temp!=0);//回應00h停止寫入

Init_Flag=0; //初始化完畢，初始化标志清零

SPI_CS=1; //片選無效

return(0); //初始化成功

}

3）讀取CID

CID寄存器存儲了SD卡的辨別碼。每一個卡都有唯一的辨別碼。

CID寄存器長度為128位。它的寄存器結構如下：

名稱	域	資料寬度	CID劃分
生産辨別号	MID	8	[127:120]
OEM/應用辨別	OID	16	[119:104]
産品名稱	PNM	40	[103:64]
産品版本	PRV	8	[63:56]
産品序列号	PSN	32	[55:24]
保留	－	4	[23:20]
生産日期	MDT	12	[19:8]
CRC7校驗合	CRC	7	[7:1]
未使用，始終為1	－	1	[0:0]

它的讀取時序如下：

與此時序相對應的程式如下：

//------------------------------------------------------------------------------------

讀取SD卡的CID寄存器 16位元組成功傳回0

//-------------------------------------------------------------------------------------

unsigned char Read_CID_SD(unsigned char *Buffer)

{

//讀取CID寄存器的指令

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）讀取CSD

CSD（Card-Specific Data）寄存器提供了讀寫SD卡的一些資訊。其中的一些單元可以由使用者重新程式設計。具體的CSD結構如下：

名稱	域	資料寬度	單元類型	CSD劃分
CSD結構	CSD_STRUCTURE	2	R	[127:126]
保留	-	6	R	[125:120]
資料讀取時間1	TAAC	8	R	[119:112]
資料在CLK周期内讀取時間2（NSAC*100）	NSAC	8	R	[111:104]
最大資料傳輸率	TRAN_SPEED	8	R	[103:96]
卡指令集合	CCC	12	R	[95:84]
最大讀取資料塊長	READ_BL_LEN	4	R	[83:80]
允許讀的部分塊	READ_BL_PARTIAL	1	R	[79:79]
非線寫塊	WRITE_BLK_MISALIGN	1	R	[78:78]
非線讀塊	READ_BLK_MISALIGN	1	R	[77:77]
DSR條件	DSR_IMP	1	R	[76:76]
保留	-	2	R	[75:74]
裝置容量	C_SIZE	12	R	[73:62]
最大讀取電流@VDD min	VDD_R_CURR_MIN	3	R	[61:59]
最大讀取電流@VDD max	VDD_R_CURR_MAX	3	R	[58:56]
最大寫電流@VDD min	VDD_W_CURR_MIN	3	R	[55:53]
最大寫電流@VDD max	VDD_W_CURR_MAX	3	R	[52:50]
裝置容量乘子	C_SIZE_MULT	3	R	[49:47]
擦除單塊使能	ERASE_BLK_EN	1	R	[46:46]
擦除扇區大小	SECTOR_SIZE	7	R	[45:39]
寫保護群大小	WP_GRP_SIZE	7	R	[38:32]
寫保護群使能	WP_GRP_ENABLE	1	R	[31:31]
保留	-	2	R	[30:29]
寫速度因子	R2W_FACTOR	3	R	[28:26]
最大寫資料塊長度	WRITE_BL_LEN	4	R	[25:22]
允許寫的部分部	WRITE_BL_PARTIAL	1	R	[21:21]
保留	-	5	R	[20:16]
檔案系統群	FILE_OFRMAT_GRP	1	R/W	[15:15]
拷貝标志	COPY	1	R/W	[14:14]
永久寫保護	PERM_WRITE_PROTECT	1	R/W	[13:13]
暫時寫保護	TMP_WRITE_PROTECT	1	R/W	[12:12]
檔案系統	FIL_FORMAT	2	R/W	[11:10]
保留	-	2	R/W	[9:8]
CRC	CRC	7	R/W	[7:1]
未用，始終為1	-	1	[0:0]

讀取CSD 的時序：

相應的程式例程如下：

//-----------------------------------------------------------------------------------------

讀SD卡的CSD寄存器共16位元組傳回0說明讀取成功

//-----------------------------------------------------------------------------------------

unsigned char Read_CSD_SD(unsigned char *Buffer)

{

//讀取CSD寄存器的指令

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）讀取SD卡資訊

綜合上面對CID與CSD寄存器的讀取，可以知道很多關于SD卡的資訊，以下程式可以擷取這些資訊。如下：

//-----------------------------------------------------------------------------------------------

//傳回

// SD卡的容量，機關為M

// sector count and multiplier MB are in

u08 == C_SIZE / (2^(9-C_SIZE_MULT))

// SD卡的名稱

//-----------------------------------------------------------------------------------------------

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;

/讀取CSD寄存器

Read_CSD_SD(sectorBuffer.dat);

//擷取總扇區數

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;

// 擷取multiplier

vinf->sector_multiply = sectorBuffer.dat[9] & 0x03;

vinf->sector_multiply <<= 1;

vinf->sector_multiply += (sectorBuffer.dat[10] & 0x80) >> 7;

//擷取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

}

以上程式将資訊裝載到一個結構體中，這個結構體的定義如下：

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）扇區讀

扇區讀是對SD卡驅動的目的之一。SD卡的每一個扇區中有512個位元組，一次扇區讀操作将把某一個扇區内的512個位元組全部讀出。過程很簡單，先寫入指令，在得到相應的回應後，開始資料讀取。

扇區讀的時序：

扇區讀的程式例程：

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

{

unsigned char retry;

//指令16

unsigned char CMD[] = {0x51,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};

unsigned char temp;

//位址變換由邏輯塊位址轉為位元組位址

sector = sector << 9; //sector = sector * 512

CMD[1] = ((sector & 0xFF000000) >>24 );

CMD[2] = ((sector & 0x00FF0000) >>16 );

CMD[3] = ((sector & 0x0000FF00) >>8 );

//将指令16寫入SD卡

retry=0;

{ //為了保證寫入指令一共寫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位元組被讀出到buffer中

return 0;

}

其中SD_get_data函數如下：

//----------------------------------------------------------------------------

擷取資料到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）扇區寫

扇區寫是SD卡驅動的另一目的。每次扇區寫操作将向SD卡的某個扇區中寫入512個位元組。過程與扇區讀相似，隻是資料的方向相反與寫入指令不同而已。

扇區寫的時序：

扇區寫的程式例程：

//--------------------------------------------------------------------------------------------

寫512個位元組到SD卡的某一個扇區中去傳回0說明寫入成功

//--------------------------------------------------------------------------------------------

unsigned char SD_write_sector(unsigned long addr,unsigned char *Buffer)

{

unsigned char tmp,retry;

unsigned int i;

//, 指令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 );

//寫指令24到SD卡中去

retry=0;

{ //為了可靠寫入，寫100次

tmp=Write_Command_SD(CMD);

retry++;

if(retry==100)

{

return(tmp); //send commamd Error!

}

while(tmp!=0);

//在寫之前先産生100個時鐘信号

for (i=0;i<100;i++)

{

Read_Byte_SD();

}

//寫入開始位元組

Write_Byte_MMC(0xFE);

//現在可以寫入512個位元組

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) // 寫入的512個位元組是未被接受

{

SPI_CS=1;

return(WRITE_BLOCK_ERROR); //Error!

}

//等到SD卡不忙為止

//因為資料被接受後，SD卡在向儲存陣列中程式設計資料

while (Read_Byte_MMC()!=0xff){};

//禁止SD卡

SPI_CS=1;

return(0);//寫入成功

}

此上内容在筆者的實驗中都已調試通過。單片機采用STC89LE單片機（SD卡的初始化電壓為2.0V~3.6V，操作電壓為3.1V~3.5V，是以不能用5V單片機，或進行分壓處理），工作于22.1184M的時鐘下，由于所采用的單片機中沒硬體SPI，采用軟體模拟SPI，是以讀寫速率都較慢。如果要半SD卡應用于音頻、視訊等要求高速場合，則需要選用有硬體SPI的控制器，或使用SD模式，當然這就需要各位讀者對SD模式加以研究，有了SPI模式的基礎，SD模式應該不是什麼難事。

SD卡資料(轉)

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