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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。
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（1） SD卡的引脚定义
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![]()
SD卡引脚功能详述：
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?
?
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
位
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
位
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
位
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：
?
C程序
?//-------------------------------------------------------------------------向SD卡中写入命令，并返回回应的第二个字节//-------------------------------------------------------------------------unsigned char Write_Command_SD(unsigned char *CMD){unsigned char tmp;unsigned char retry=0;unsigned char i;//禁止SD卡片选SPI_CS=1;//发送8个时钟信号Write_byte_SD(0xFF);//使能SD卡片选SPI_CS=0;//向SD卡发送6字节命令for (i=0;i
?
?
?
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：
?
C程序
?//----------------------------------------------------------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(); //初始化驱动端口Init_Flag=1; //将初始化标志置1for (i=0;i
?
?
?
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
域
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：
?
C程序
?//------------------------------------------------------------读取SD卡的CID寄存器 16字节 成功返回0//------------------------------------------------------------unsigned char Read_CID_SD(unsigned char *buffer){//读取CID寄存器的命令unsigned char CMD[] = {0x4A,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};unsigned char temp;temp=SD_Read_block(CMD,buffer,16); //read 16 bytesreturn(temp);}?
?
?
?
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
域
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@VDD min
VDD_R_CURR_MIN
3
R
[61:59]
?
?
最大读取电流@VDD max
VDD_R_CURR_MAX
3
R
[58:56]
?
?
最大写电流@VDD min
VDD_W_CURR_MIN
3
R
[55:53]
?
?
最大写电流@VDD max
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：
?
C程序
?//-------------------------------------------------------------------读SD卡的CSD寄存器 共16字节 返回0说明读取成功//-------------------------------------------------------------------unsigned char Read_CSD_SD(unsigned char *buffer){//读取CSD寄存器的命令unsigned char CMD[] = {0x49,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};unsigned char temp;temp=SD_Read_block(CMD,buffer,16); //read 16 bytesreturn(temp);}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：//----------------------------------------------------------------------//返回// SD卡的容量，单位为M// sector count and multiplier Mb are inu08 == C_SIZE / (2^(9-C_SIZE_MULT))// SD卡的名称//----------------------------------------------------------------------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;/读取CSD寄存器Read_CSD_SD(sectorbuffer.dat);//获取总扇区数vinf->sector_count = sectorbuffer.dat[6] & 0x03;vinf->sector_count sector_count += sectorbuffer.dat[7];vinf->sector_count sector_count += (sectorbuffer.dat[8] & 0xc0) >> 6;// 获取multipliervinf->sector_multiply = sectorbuffer.dat[9] & 0x03;vinf->sector_multiply sector_multiply += (sectorbuffer.dat[10] & 0x80) >> 7;//获取SD卡的容量vinf->size_Mb = vinf->sector_count >> (9-vinf->sector_multiply);// get the name of the cardRead_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}以上程序将信息装载到一个结构体中，这个结构体的定义如下：typedef struct SD_VOLUME_INFO{ //SD/SD Card infounsigned int size_Mb;unsigned char sector_multiply;unsigned int sector_count;unsigned char name[6];} 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：
?
C程序
?unsigned char SD_Read_Sector(unsigned long sector,unsigned char *buffer){unsigned char retry;//命令16unsigned char CMD[] = {0x51,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};unsigned char temp;//地址变换 由逻辑块地址转为字节地址sector = sector >24 );CMD[2] = ((sector & 0x00FF0000) >>16 );CMD[3] = ((sector & 0x0000FF00) >>8 );//将命令16写入SD卡retry=0;do{ //为了保证写入命令 一共写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字节被读出到buffer中return 0;}其中SD_get_data函数如下：//---------------------------------------------------------获取数据到buffer中//---------------------------------------------------------void SD_get_data(unsigned int bytes,unsigned char *buffer){unsigned int j;for (j=0;j
?
?
?
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：
?
C程序
?//-----------------------------------------------------------------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//-----------------------------------------------------------------unsigned char SD_write_sector(unsigned long addr,unsigned char *buffer){unsigned char tmp,retry;unsigned int i;//命令24unsigned char CMD[] = {0x58,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};addr = addr >24 );CMD[2] = ((addr & 0x00FF0000) >>16 );CMD[3] = ((addr & 0x0000FF00) >>8 );//写命令24到SD卡中去retry=0;do{ //为了可靠写入，写100次tmp=Write_Command_SD(CMD);retry++;if(retry==100){return(tmp); //send commamd Error!}}while(tmp!=0);//在写之前先产生100个时钟信号for (i=0;i
?
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。
![]()
?
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雷达卡
发表于 2012-1-16 16:43:01
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