[转]SD卡引脚 电路图及工作原理介绍
SD卡引脚 电路图及工作原理介绍
转自:http://blog.csdn.net/zhangyanquen/article/details/6658802
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：
|
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：
//-----------------------------------------------------------------------------------------------
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<0x06;i++)
{
Write_Byte_SD(*CMD++);
}
//获得16位的回应
Read_Byte_SD(); //read the first byte,ignore it.
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
//--------------------------------------------------------------------------
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);//CMD0 Error!
}
}
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);//CMD1 Error!
}
}
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：
|
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
//-------------------------------------------------------------------------------------
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 bytes
return(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：
//-----------------------------------------------------------------------------------------
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 bytes
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
// sector count and multiplier MB are in
u08 == 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 <<= 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);
// get the name of the card
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; //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 info
unsigned int size_MB;
unsigned char sector_multiply;
unsigned int sector_count;
unsigned char name[6];
} VOLUME_INFO_TYPE;
