1 SD卡標準
SD卡標準是SD卡協會針對可移動存儲設備設計專利并授權的一種標準，主要用于制定卡的外形尺寸、電氣接口和通信協議。
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協議是目前廣泛流行的通信協議，大多數高性能單片機都配備了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協議，主控制器發出命令后，SD卡針對不同的命令返回對應的響應。
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，用來讀單塊數據。
在SPI模式中，命令都是以如下的6字節形式發送的：
每幀命令都以“01”開頭，然后是6位命令號和4字節的參數（高位在前，低位在后），最后是7位CRC校驗和1位停止位“1”。
表2 R1響應格式
SD卡的每條命令都會返回對應的響應類型。在SPI模式下，共有3種響應類型：R1、R2和R3，分別占1、2和3個字節。這里僅列出了R1響應的格式，如表2所列。當出現表中所描述的狀態時，相應的位置1。R2和R3的第1個字節格式與R1完全一樣，詳細內容請參考SD卡標準。
2 硬件設計
本設計選用Freescale公司的32位低功耗微控制器MCF51QE128，采用SPI模式實現與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 軟件實現
軟件部分主要實現MCF51QE128的初始化、底層SPI通信，以及SD卡的通用寫命令、初始化和單塊數據的讀寫等功能。
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;//關看門狗
SCGC1 = 0x00;//禁用其他外設的總線時鐘
SCGC2 = 0x02;//開SPI2模塊的總線時鐘
PTDDD = 0x08;//SPI片選信號由軟件設置
}
void SPI_Init (void) {
SPI2BR = 0x44;//設初始SPI時鐘為400 kHz
SPI2C1 = 0xD0;//SPI 中斷允許，系統中斷允許，主模式選擇
SPI2C2 = 0x00;
}
3.2 底層SPI通信
底層的SPI通信是實現最終讀寫的關鍵。由于MCF51QE128自帶SPI硬件接口，因此只需要讀寫SPI數據寄存器的值。這里自定了byte、word和dword三種數據類型，分別對應于8位、16位和32位數據。代碼如下：
byte SPI_ReadByte(void) {//SPI讀字節函數
while (!SPI2S_SPTEF);//等待，直到發送寄存器為空
SPI2D = 0xff;//接收1字節數據
while (!SPI2S_SPRF);
return SPI2D;
}
byte SPI_WriteByte(byte val) {//SPI寫字節函數
while ((!SPI2S_SPTEF)&&(!PTDD_PTDD3));//等待，直到發送寄存器為空
SPI2D = val;//發送數據
}
3.3 SD卡的通用寫命令
由于SD卡的命令具有統一的格式，因此可以用一個通用的寫命令函數來實現所有命令的發送。另外，考慮到多數命令的響應類型都是R1，這里的通用寫命令函數所接收的響應類型默認為R1。函數代碼如下：
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字節命令參數
SPI_WriteByte((byte)(arg>>16));
SPI_WriteByte((byte)(arg>>8));
SPI_WriteByte((byte)(arg));
SPI_WriteByte((byte)(cmd == 0x00? 0x95 : 0xff));//CRC校驗和
for(i = 0; i < 10; ++i) {//接收響應
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，并發送CMD0命令，對SD卡進行復位并使其進入SPI模式，這里需要正確的CRC校驗，校驗字節為0x95。若SD卡進入空閑狀態（即接收響應為0x01時），則發送CMD1命令，激活卡的初始化過程，此時響應為0x00。然后設置塊的長度，一般為512字節。最后將片選拉高并將SPI時鐘設為最大值，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);//發送CMD0
if(response == 0x01) break;//進入空閑狀態
if(i == 0x1ff) {
unselect_card();
return 0;
}
}
for(i = 0; ; i++) {
response = SD_SendCommand_R1(0x01,0);//發送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)) {//設置塊長度為512字節
unselect_card();
return 0;
}
unselect_card();//片選拉高SPI2BR = 0x40;選擇最高SPI時鐘
return 1;
}
3.5 SD卡單塊數據讀寫
SPI模式支持單塊和多塊數據的讀寫操作，可通過發送相應的命令來實現。讀單塊數據的操作過程如圖4所示。拉低片選后，首先由主控制器MCF51QE128發送讀單塊數據命令CMD17，然后等待SD卡的響應。當收到數據塊開始標志0xfe后，開始從SD卡讀取512字節的數據，最后讀取2字節的CRC校驗位。
圖4 讀單塊數據操作
讀單塊數據的函數代碼如下：
byte SD_ReadSingleBlock(byte data[], dword sector) {
word i;
select_card();
if(SD_SendCommand_R1(0x11, sector)) {//發送讀單塊數據命令CMD17
unselect_card();
return 0;
}
while(SPI_ReadByte() != 0xfe) ;//等待，直到收到數據塊開始標志0xfe
for(i = 0; i < 512; i++) data[i] = SPI_ReadByte();//讀512字節數據塊
SPI_ReadByte();//讀16位CRC校驗
SPI_ReadByte();
unselect_card();
SPI_ReadByte();
return 1;
}
寫單塊數據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發送寫單塊數據命令CMD24，SD卡正確響應后發送數據塊開始標志0xfe，接著發送512字節數據塊和2字節CRC校驗。
圖5 寫單塊數據操作
寫入數據后，SD卡會發送1字節的數據響應來反饋數據寫入的情況，其格式如圖6所示。當數據正確寫入SD卡后，數據響應為0x05。最后讀數據總線，寫數據忙時等待，直到總線為高電平。
圖6 數據響應格式
寫單塊數據的函數代碼如下：
byte SD_WriteSingleBlock(byte data[], dword sector) {
word i;
byte response;
select_card();
if(SD_SendCommand_R1(0x18, sector)) {//發送寫單塊數據命令CMD24
unselect_card();
return 0;
}
SPI_WriteByte(0xfe);//發送數據塊開始標志0xfe
for(i = 0; i < 512; i++)SPI_WriteByte(data[i]);//寫512字節數據塊
SPI_WriteByte(0xff); //寫16位CRC校驗
SPI_WriteByte(0xff);
for(i = 0; ; i++) {//讀數據響應，判斷數據是否//正確寫入
response = SPI_ReadByte();
if((response & 0x0f) == 0x05) break;
if(i == 0x1ff) {
unselect_card();
return 0;
}
}
while(SPI_ReadByte() != 0xff) ;//寫數據忙時，等待
SPI_ReadByte();
unselect_card();
return 1;
}
結語
SD卡是目前廣泛應用的可擦除的大容量存儲設備，其接口設計可作為各類嵌入式系統中存儲單元的一般解決方案。本文結合SD卡標準的相關技術，基于MCF51QE128微控制器完成了硬件接口和底層通信軟件的設計。在此基礎上，可進一步構建文件系統，實現對存儲數據更有效的管理。