MultiMediacard及其与单片机接口

liyf

MultiMediacard及其与单片机接口

摘要：ＭultiMediaCard是Ｓandisc公司推出的大容量串行Ｆlash存储卡，外形尺寸为３２mm×24mm×1.4mm,质量小于２g，７针引脚，便于开发设计小型的移动数码设备。本文重点介绍此类存储器与ＰＩＣ单片机的接口，给出实际的电路设计和软件代码示例。
   关键词：MultiMediaCard 串行Flash存储卡　ＰＩＣ单片机　接口
1 概述
Sandisc公司推出的大大容量串行Flash存储器产品——MultiMediaCard(MMC)，通常叫作多媒体卡。它的体积比SmartMedia还要小，
不怕冲击，可反复读写记录30万次，驱动电压2.7～3.6V,可变时钟频率范围为0～20MHz，目前常见的容量为64MB/128MB。ATP Electrionics公司已经率先推出了1GB的高容量MMC。除了体积小、寿命长、容量大等特性外，还具备存储区纠错能力；低功耗；5ms内没有接收到命令字后，自动转入休眠状态；支持热插拔等优点。MMC可以格式化为FAT文件系统，便于上位机读写。
2 MMC简介
2.1 引脚排列及功能
根据存储容量的不同，MMC有SMDB和SDMJ两种构成技术。SMDB即二进制NAND技术（Binary NAND），16MB和32MB容量的MMC卡采用此技术。目前常用的64MB和128MB的MMC采用SDMJ，即MLC（Multi Level Cell）NAND技术。各容量的MMC卡，其外形尺寸及引脚排列相同，如图1所示。
MMC读写接口可以在MMC和SPI两种通信 协议下工作。MMC是由MMCA协会开发的高性能三线制通信协议，即CMD、CLK、DAT线，最大可寻址64000张MMC卡，单个物理地址可叠放30张卡，支持顺序读写及单/多数据块读写操作，是MMC卡默认的通信协议。SPI协议为可选协议，工作效率不及MMC协议；但SPI协议简单易用，兼容性好，便于和单片机连接使用。本设计采用SPI通信协议，下文将详细介绍。


    2．2 内部逻辑结构
MMC卡的内部逻辑结构可分为四部分：MMC/SPI接口、单芯片控制器、数据闪存模块、控制线和数据线。MMC/SPI接口实现与主控制器的通信。
单芯片控制器完成接口协议、数据存储检索、纠错码算法、故障诊断处理、电源管理和时钟控制功能。数据内存模块可以实现整个存储空间内的单字节访问，它不是简单的字阵列，而是被分成了多种结构。512个字节构成1个扇区（sector）。根据MMC卡容量的不同，16或32个扇区构成1个擦除族（erase group）。32个擦除族构成1个写保护族（write protect group）。此设计使MMC操作灵活，使用方便。控制线和数据线实现数据存储区的访问，其内部逻辑结构如图2所示。
3 MMC/SPI通信协议
MMC卡上电后，默认进入MMC模式。如果转入SPI模式下工作，需进行模式切换。SPI模式设定流程如图3所示。
如需从SPI模式转入MMC模式，只能切断电源，重新上电，进入默认MMC模式。从实际应用角度出发，SPI模式设计简单，操作方便，但数据传输速率逊于MMC模式。基于设计要求，笔者采用了SPI通信协议。
4 存储器读写接口
4．1 SPI接口及操作模式
SPI接口是一种通用同步串行接口总线，字长为8位，用来与外部设备进行通信。SPI接口利用CLK、DataIn和DataOut三根线进行数据的读写。其中，CLK为时钟信号，有外部控制器提供；Datain和DataOut为数据输入和输出线。CS是MMC片选信号线，在整个SPI操作过程中，必须保持低电平有效信号。
SPI接口共有四种操作模式，分别为0、1、2和3。SPI操作模式决定了设备接收和发送数据时的时钟相位和极性，即决定了时钟信号的上升和下降沿与数据流动方向之间的关系，如图4所示。本设计采用模式3。
4．2 MMC卡命令及答复信号


所有MMC卡命令字长度均为6个字节，传输从高位开始，且包含一个CRC校验字。
命令字索引采用二进制编码。比如CMD0的索引位是000000，CMD39的索引位是100111。MMC卡命令字分为10个命令组，每组由多个命令字组成，完成MMC卡功能设定。SPI模式下的Sandisc MMC卡支持其中的6个命令组，可实现基本设定、数据块读、数据块写、擦除、写保护、MMC卡锁定功能。
MMC卡有多种应答信号格式，传输从高位开始。SPI模式下，存在5种应答信号格式，分别为R1、R2、R3、Busy、R1b。
接收到每个命令后，MMC卡都发送一个格式为R1的应答信号，卡状态查询命令字CMD13除外。此应答信号占1字节，最高位为0，低7位为错误标志。若某位为1，表示存在相应错误。
Busy应答信号长度为多个字节。各位都为0，表示卡正忙。存在非零位表明卡已经准备好接收下一命令。

R2格式应答信号长度为2字节，用于答复卡状态查询命令字CMD13。首字节格式同R1，第2个字节表示的错误类型。
R3格式应答信号长度为5字节，答复卡内OCR豁口读命令CMD58。首字节格式同R1，其余4字节为OCR豁口内容。
R1b格式应答信号包括两部分，R1格式部分和Busy格式可选附加部分。
4．3 MMC在SPI模式下的传输时序
MMC在SPI协议下读写时序如图5所示。主控制器发送读/写命令，当收到OUT传输互上正确的应答信号后，OUT/IN传输线开始读/写操作。


5 MMC卡与单片机接口实例
5．1 硬件电路设计
图6为笔者采用Sandisc公司容量为32MB的MMC卡设计的便携式数据采集系统的一部分。单片机采用美国Microchip公司推出的PIC16F73B。单片机的工作频率为4MHZ，采用Port C的硬件SPI接口进行MMC卡的读写操作。
5．2 软件设计
访问MMC卡存储单元前，需要设定访问块长度。默认长度为512字节。本设计是通过写缓存芯片FM24CL64，达到512字节后转入主存MMC的（硬件电路图应作相应的修改），所以读写长度不再设定。MMC格式化为FAT文件系统的结构后，数据以文件的形式为上位机所读取。
MMC接口部分软件设计流程如图7所示。
5．3 MMC卡SPI初始化与写子程序
因为MMC可以在两种协议下工作，且默认为MMC操作模式，所以必须经过初始化才能在SPI模式下工作。初始化和写子程序代码见www.dpj.com.cn。

图7