《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于MCF51QE128的SD卡接口設(shè)計(jì)
摘要: SD (Secure Digital)卡是一種基于閃存技術(shù)的可移動存儲設(shè)備,,由于其體積小,、功耗低、容量大且成本低,廣泛應(yīng)用于各類小型便攜式電子設(shè)備中,。本文實(shí)現(xiàn)了SD卡與Freescale公司的32位低功耗微控制器MCF51QE128之間的軟硬件接口設(shè)計(jì),可作為數(shù)據(jù)記錄儀,、媒體播放器和錄音設(shè)備等的設(shè)計(jì)參考,。
關(guān)鍵詞: 接口IC SD卡 MCF51QE128 SPI模式
Abstract:
Key words :

 

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(jì)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(yàn)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(jì)

  本設(shè)計(jì)選用Freescale公司的32位低功耗微控制器MCF51QE128,,采用SPI模式實(shí)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(shí)現(xiàn)

  軟件部分主要實(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)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(yàn),校驗(yàn)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(shí)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(yàn)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(yàn)
  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(yàn),。


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(yàn)
  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(jì)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(jì)。在此基礎(chǔ)上,,可進(jìn)一步構(gòu)建文件系統(tǒng),,實(shí)現(xiàn)對存儲數(shù)據(jù)更有效的管理。

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