单片机spi驱动SD卡

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。

（1）SD卡的引脚定义：

SD卡引脚功能详述：

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：

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

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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1

for(i=0;i<0x0f;i++)

{

Write_Byte_SD(0xff);//发送至少74个时钟信号

}

//向SD卡发送CMD0

retry=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;//CMD1

CMD[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：

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);//read16bytes

return(temp);

}

4）读取CSD

CSD（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：

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);//read16bytes

return(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

//sectorcountandmultiplierMBarein

u08==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multiplier

vinf->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);

//getthenameofthecard

Read_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/SDCardinfo

unsignedintsize_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16

unsignedcharCMD[]={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*512

CMD[1]=((sector&0xFF000000)>>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);//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

*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24

unsignedcharCMD[]={0x58,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};

addr=addr<<9;//addr=addr*512

CMD[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-Byte

Write_Byte_MMC(0xFF);//DummyCRC

Write_Byte_MMC(0xFF);//CRCCode

tmp=Read_Byte_MMC();//readresponse

if((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。