sd卡的读写时序

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 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 。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 锁卡写命令的例程：//-----------------------------------------------------------------------------------------------向SD卡中写入命令，并返回回应的第二个字节//-----------------------------------------------------------------------------------------------unsignedcharWrite_Command_SD(unsignedchar*CMD){unsignedchartmp;unsignedcharretry=0;unsignedchari;//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<0x06;i++){Write_Byte_SD(*CMD++);}//获得16位的回应Read_Byte_SD();//readthefirstbyte,ignoreit.do{//读取后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，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：//--------------------------------------------------------------------------初始化SD卡到SPI模式//--------------------------------------------------------------------------unsignedcharSD_Init(){unsignedcharretry,temp;unsignedchari;unsignedcharCMD[]={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<0x0f;i++){Write_Byte_SD(0xff);//发送至少74个时钟信号}//向SD卡发送CMD0retry=0;do{//为了能够成功写入CMD0,在这里写200次temp=Write_Command_SD(CMD);retry++;if(retry==200){//超过200次return(INIT_CMD0_ERROR);//CMD0Error!}}while(temp!=1);//回应01h，停止写入//发送CMD1到SD卡CMD[0]=0x41;//CMD1CMD[5]=0xFF;retry=0;do{//为了能成功写入CMD1,写100次temp=Write_Command_SD(CMD);retry++;if(retry==100){//超过100次return(INIT_CMD1_ERROR);//CMD1Error!}}while(temp!=0);//回应00h停止写入Init_Flag=0;//初始化完毕，初始化标志清零SPI_CS=1;//片选无效return(0);//初始化成功}3）读取CIDCID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：//------------------------------------------------------------------------------------读取SD卡的CID寄存器16字节成功返回0//-------------------------------------------------------------------------------------unsignedcharRead_CID_SD(unsignedchar*Buffer){//读取CID寄存器的命令unsignedcharCMD[]={0x4A,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};unsignedchartemp;temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16);//read16bytesreturn(temp);}4）读取CSDCSD（Card-SpecificData）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@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：//-----------------------------------------------------------------------------------------读SD卡的CSD寄存器共16字节返回0说明读取成功//-----------------------------------------------------------------------------------------unsignedcharRead_CSD_SD(unsignedchar*Buffer){//读取CSD寄存器的命令unsignedcharCMD[]={0x49,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};unsignedchartemp;temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16);//read16bytesreturn(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//sectorcountandmultiplierMBareinu08=C_SIZE/(2^(9-C_SIZE_MULT))//SD卡的名称//-----------------------------------------------------------------------------------------------voidSD_get_volume_info(){unsignedchari;unsignedcharc_temp[5];VOLUME_INFO_TYPESD_volume_Info,*vinf;vinf=&SD_volume_Info;//Initthepointoer;/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<<=8;vinf->sector_count+=sectorBuffer.dat[7];vinf->sector_count<<=2;vinf->sector_count+=(sectorBuffer.dat[8]&0xc0)>>6;//获取multipliervinf->sector_multiply=sectorBuffer.dat[9]&0x03;vinf->sector_multiply<<=1;vinf->sector_multiply+=(sectorBuffer.dat[10]&0x80)>>7;//获取SD卡的容量vinf->size_MB=vinf->sector_count>>(9-vinf->sector_multiply);//getthenameofthecardRead_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;//endflag}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：typedefstructSD_VOLUME_INFO{//SD/SDCardinfounsignedintsize_MB;unsignedcharsector_multiply;unsignedintsector_count;unsignedcharname[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：unsignedcharSD_Read_Sector(unsignedlongsector,unsignedchar*buffer){unsignedcharretry;//命令17unsignedcharCMD[]={0x51,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};unsignedchartemp;//地址变换由逻辑块地址转为字节地址sector=sector<<9;//sector=sector*512CMD[1]=((sector&0xFF000000)>>24);CMD[2]=((sector&0x00FF0000)>>16);CMD[3]=((sector&0x0000FF00)>>8);//将命令17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);//blockwriteError!}}while(temp!=0);//ReadStartByteformMMC/SD-Card(FEh/StartByte)//Nowdataisready,youcanreaditout.while(Read_Byte_MMC()!=0xfe);readPos=0;SD_get_data(512,buffer);//512字节被读出到buffer中return0;}其中SD_get_data函数如下：//----------------------------------------------------------------------------获取数据到buffer中//----------------------------------------------------------------------------voidSD_get_data(unsignedintBytes,unsignedchar*buffer){unsignedintj;for(j=0;j<Bytes;j++)*buffer++=Read_Byte_SD();}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：//--------------------------------------------------------------------------------------------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//--------------------------------------------------------------------------------------------unsignedcharSD_write_sector(unsignedlongaddr,unsignedchar*Buffer){unsignedchartmp,retry;unsignedinti;//命令24unsignedcharCMD[]={0x58,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};addr=addr<<9;//addr=addr*512CMD[1]=((addr&0xFF000000)>>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);//sendcommamdError!}}while(tmp!=0);//在写之前先产生100个时钟信号for(i=0;i<100;i++){Read_Byte_SD();}//写入开始字节Write_Byte_MMC(0xFE);//现在可以写入512个字节for(i=0;i<512;i++){Write_Byte_MMC(*Buffer++);}//CRC-ByteWrite_Byte_MMC(0xFF);//DummyCRCWrite_Byte_MMC(0xFF);//CRCCodetmp=Read_Byte_MMC();//readresponseif((tmp&0x1F)!=0x05)//写入的512个字节是未被接受{SPI_CS=1;return(WRITE_BLOCK_ERROR);//Error!}//等到SD卡不忙为止//因为数据被接受后，SD卡在向储存阵列中编程数据while(Read_Byte_MMC()!=0xff){};//禁止SD卡SPI_CS=1;return(0);//写入成功}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。如果要将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。