51单片机实现对SD卡的读写 超详细过程介绍

2015-09-12 来源:网络 点击:167
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:

引脚
编号
SD模式
        SPI模式
名称
类型
描述
名称
类型
描述
1
CD/DAT3
IO或PP
卡检测/
数据线3
#CS
I
片选
2
CMD
PP
命令/
回应
DI
I
数据输入
3
VSS1
S
电源地
VSS
S
电源地
4
VDD
S
电源
VDD
S
电源
5
CLK
I
时钟
SCLK
I
时钟
6
VSS2
S
电源地
VSS2
S
电源地
7
DAT0
IO或PP
数据线0
DO
O或PP
数据输出
8
DAT1
IO或PP
数据线1
RSV
 
 
9
DAT2
IO或PP
数据线2
RSV
 
 

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
含义
 
 
 
1
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

 

字节
含义
 
 
 
1
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
含义
 
 
 
1
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
2~5
全部
操作条件寄存器,高位在前


写命令的例程:
 

 
  1. //-----------------------------------------------------------------------------------------------  
  2.   向SD卡中写入命令,并返回回应的第二个字节   
  3. //-----------------------------------------------------------------------------------------------  
  4. unsigned char Write_Command_SD(unsigned char *CMD)   
  5. {   
  6.    unsigned char tmp;   
  7.    unsigned char retry=0;   
  8.    unsigned char i;   
  9.   
  10.    //禁止SD卡片选   
  11.    SPI_CS=1;   
  12.    //发送8个时钟信号   
  13.    Write_Byte_SD(0xFF);   
  14.    //使能SD卡片选   
  15.    SPI_CS=0;   
  16.   
  17.    //向SD卡发送6字节命令   
  18.    for (i=0;i<0x06;i++)    
  19.    {    
  20.       Write_Byte_SD(*CMD++);   
  21.    }   
  22.       
  23.    //获得16位的回应   
  24.    Read_Byte_SD(); //read the first byte,ignore it.    
  25.    do    
  26.    {  //读取后8位   
  27.       tmp = Read_Byte_SD();   
  28.       retry++;   
  29.    }   
  30.    while((tmp==0xff)&&(retry<100));    
  31.    return(tmp);   
  32. }   

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:
 

 
  1. //--------------------------------------------------------------------------   
  2.     初始化SD卡到SPI模式   
  3. //--------------------------------------------------------------------------   
  4. unsigned char SD_Init()   
  5. {     
  6.    unsigned char retry,temp;   
  7.    unsigned char i;   
  8.    unsigned char CMD[] = {0x40,0x00,0x00,0x00,0x00,0x95};   
  9.    SD_Port_Init(); //初始化驱动端口   
  10.       
  11.    Init_Flag=1; //将初始化标志置1   
  12.   
  13.    for (i=0;i<0x0f;i++)    
  14.    {   
  15.       Write_Byte_SD(0xff); //发送至少74个时钟信号   
  16.    }   
  17.     
  18.    //向SD卡发送CMD0   
  19.    retry=0;   
  20.    do  
  21.    { //为了能够成功写入CMD0,在这里写200次   
  22.      temp=Write_Command_SD(CMD);   
  23.      retry++;   
  24.      if(retry==200)    
  25.      { //超过200次   
  26.        return(INIT_CMD0_ERROR);//CMD0 Error!   
  27.      }   
  28.    }    
  29.    while(temp!=1);  //回应01h,停止写入   
  30.       
  31.    //发送CMD1到SD卡   
  32.    CMD[0] = 0x41; //CMD1   
  33.    CMD[5] = 0xFF;   
  34.    retry=0;   
  35.    do  
  36.    { //为了能成功写入CMD1,写100次   
  37.      temp=Write_Command_SD(CMD);   
  38.      retry++;   
  39.      if(retry==100)    
  40.      { //超过100次   
  41.        return(INIT_CMD1_ERROR);//CMD1 Error!   
  42.      }   
  43.    }    
  44.    while(temp!=0);//回应00h停止写入   
  45.       
  46.    Init_Flag=0; //初始化完毕,初始化标志清零   
  47.       
  48.    SPI_CS=1;  //片选无效   
  49.    return(0); //初始化成功   
  50. }   
  51.   
  52.   

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
数据宽度
CID划分
生产标识号
MID
8
[127:120]
OEM/应用标识
OID
16
[119:104]
产品名称
PNM
40
[103:64]
产品版本
PRV
8
[63:56]
产品序列号
PSN
32
[55:24]
保留
4
[23:20]
生产日期
MDT
12
[19:8]
CRC7校验合
CRC
7
[7:1]
未使用,始终为1
1
[0:0]

它的读取时序如下:
  
        与此时序相对应的程序如下:
 

 
  1. //------------------------------------------------------------------------------------   
  2.     读取SD卡的CID寄存器   16字节   成功返回0   
  3. //-------------------------------------------------------------------------------------   
  4. unsigned char Read_CID_SD(unsigned char *Buffer)   
  5. {   
  6.    //读取CID寄存器的命令   
  7.    unsigned char CMD[] = {0x4A,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};    
  8.    unsigned char temp;   
  9.    temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16); //read 16 bytes   
  10.    return(temp);   
  11. }   

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

           读取CSD 的时序:
  
           相应的程序例程如下:
 

 
  1. //-----------------------------------------------------------------------------------------   
  2.     读SD卡的CSD寄存器   共16字节    返回0说明读取成功   
  3. //-----------------------------------------------------------------------------------------   
  4. unsigned char Read_CSD_SD(unsigned char *Buffer)   
  5. {    
  6.    //读取CSD寄存器的命令   
  7.    unsigned char CMD[] = {0x49,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};   
  8.    unsigned char temp;   
  9.    temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16); //read 16 bytes   
  10.    return(temp);   
  11. }   

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:

 
  1. //-----------------------------------------------------------------------------------------------  
  2. //返回   
  3. //  SD卡的容量,单位为M   
  4. //  sector count and multiplier MB are in    
  5. u08 == C_SIZE / (2^(9-C_SIZE_MULT))   
  6. //  SD卡的名称   
  7. //-----------------------------------------------------------------------------------------------  
  8. void SD_get_volume_info()   
  9. {      
  10.     unsigned char i;   
  11.     unsigned char c_temp[5];   
  12.     VOLUME_INFO_TYPE SD_volume_Info,*vinf;   
  13.     vinf=&SD_volume_Info; //Init the pointoer;   
  14. /读取CSD寄存器   
  15.     Read_CSD_SD(sectorBuffer.dat);   
  16. //获取总扇区数   
  17.  vinf->sector_count = sectorBuffer.dat[6] & 0x03;   
  18.  vinf->sector_count <<= 8;   
  19.  vinf->sector_count += sectorBuffer.dat[7];   
  20.  vinf->sector_count <<= 2;   
  21.  vinf->sector_count += (sectorBuffer.dat[8] & 0xc0) >> 6;   
  22.  // 获取multiplier   
  23.  vinf->sector_multiply = sectorBuffer.dat[9] & 0x03;   
  24.  vinf->sector_multiply <<= 1;   
  25.  vinf->sector_multiply += (sectorBuffer.dat[10] & 0x80) >> 7;   
  26. //获取SD卡的容量   
  27.  vinf->size_MB = vinf->sector_count >> (9-vinf->sector_multiply);   
  28.  // get the name of the card   
  29.  Read_CID_SD(sectorBuffer.dat);   
  30.  vinf->name[0] = sectorBuffer.dat[3];   
  31.  vinf->name[1] = sectorBuffer.dat[4];   
  32.  vinf->name[2] = sectorBuffer.dat[5];   
  33.  vinf->name[3] = sectorBuffer.dat[6];   
  34.  vinf->name[4] = sectorBuffer.dat[7];   
  35.  vinf->name[5] = 0x00; //end flag    
  36. }   
  37.          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:   
  38. typedef struct SD_VOLUME_INFO   
  39. //SD/SD Card info   
  40.   unsigned int  size_MB;   
  41.   unsigned char sector_multiply;   
  42.   unsigned int  sector_count;   
  43.   unsigned char name[6];   
  44. } 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:
 

 
  1. unsigned char SD_Read_Sector(unsigned long sector,unsigned char *buffer)   
  2. {     
  3.    unsigned char retry;   
  4.    //命令16   
  5.    unsigned char CMD[] = {0x51,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};    
  6.    unsigned char temp;   
  7.       
  8.    //地址变换   由逻辑块地址转为字节地址   
  9.    sector = sector << 9; //sector = sector * 512   
  10.   
  11.    CMD[1] = ((sector & 0xFF000000) >>24 );   
  12.    CMD[2] = ((sector & 0x00FF0000) >>16 );   
  13.    CMD[3] = ((sector & 0x0000FF00) >>8 );   
  14.   
  15.    //将命令16写入SD卡   
  16.    retry=0;   
  17.    do  
  18.    {  //为了保证写入命令  一共写100次   
  19.       temp=Write_Command_MMC(CMD);   
  20.       retry++;   
  21.       if(retry==100)    
  22.       {   
  23.         return(READ_BLOCK_ERROR); //block write Error!   
  24.       }   
  25.    }   
  26.    while(temp!=0);    
  27.          
  28.    //Read Start Byte form MMC/SD-Card (FEh/Start Byte)   
  29.    //Now data is ready,you can read it out.   
  30.    while (Read_Byte_MMC() != 0xfe);   
  31.    readPos=0;   
  32.   SD_get_data(512,buffer) ;  //512字节被读出到buffer中   
  33.  return 0;   
  34. }   
  35. 其中SD_get_data函数如下:   
  36. //----------------------------------------------------------------------------   
  37.     获取数据到buffer中   
  38. //----------------------------------------------------------------------------   
  39. void SD_get_data(unsigned int Bytes,unsigned char *buffer)    
  40. {   
  41.    unsigned int j;   
  42.    for (j=0;j
  43.       *buffer++ = Read_Byte_SD();   
  44. }   
  45.   

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:
 

 
  1. //--------------------------------------------------------------------------------------------   
  2.     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   
  3. //--------------------------------------------------------------------------------------------   
  4. unsigned char SD_write_sector(unsigned long addr,unsigned char *Buffer)   
  5. {     
  6.    unsigned char tmp,retry;   
  7.    unsigned int i;   
  8.    //命令24   
  9.    unsigned char CMD[] = {0x58,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};    
  10.    addr = addr << 9; //addr = addr * 512   
  11.     
  12.    CMD[1] = ((addr & 0xFF000000) >>24 );   
  13.    CMD[2] = ((addr & 0x00FF0000) >>16 );   
  14.    CMD[3] = ((addr & 0x0000FF00) >>8 );   
  15.   
  16.    //写命令24到SD卡中去   
  17.    retry=0;   
  18.    do  
  19.    {  //为了可靠写入,写100次   
  20.       tmp=Write_Command_SD(CMD);   
  21.       retry++;   
  22.       if(retry==100)    
  23.       {    
  24.         return(tmp); //send commamd Error!   
  25.       }   
  26.    }   
  27.    while(tmp!=0);    
  28.       
  29.   
  30.    //在写之前先产生100个时钟信号   
  31.    for (i=0;i<100;i++)   
  32.    {   
  33.       Read_Byte_SD();   
  34.    }   
  35.     
  36.    //写入开始字节   
  37.    Write_Byte_MMC(0xFE);    
  38.     
  39.    //现在可以写入512个字节   
  40.    for (i=0;i<512;i++)   
  41.    {   
  42.       Write_Byte_MMC(*Buffer++);    
  43.    }   
  44.   
  45.    //CRC-Byte    
  46.    Write_Byte_MMC(0xFF); //Dummy CRC   
  47.    Write_Byte_MMC(0xFF); //CRC Code   
  48.       
  49.        
  50.    tmp=Read_Byte_MMC();   // read response   
  51.    if((tmp & 0x1F)!=0x05) // 写入的512个字节是未被接受   
  52.    {   
  53.      SPI_CS=1;   
  54.      return(WRITE_BLOCK_ERROR); //Error!   
  55.    }   
  56.    //等到SD卡不忙为止   
  57. //因为数据被接受后,SD卡在向储存阵列中编程数据   
  58.    while (Read_Byte_MMC()!=0xff){};   
  59.     
  60.    //禁止SD卡   
  61.    SPI_CS=1;   
  62.    return(0);//写入成功   
  63. }   
  64.   

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。



http://blog.chinaunix.net/uid-22889411-id-59726.html

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