51单片机实现对SD卡的读写.docx
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51单片机实现对SD卡的读写
51单片机实现对SD卡的读写
51单片机实现对SD卡的读写
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
CS/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-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
//------------------------------------------------------------------------------
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;
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：
unsigned char SD_Read_Sector（unsigned long sector,unsigned char *buffer）
{
unsigned char retry;
//命令16
unsigned char CMD[] = {0x51,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};
unsigned char temp;
//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）; //block write Error!
}
}while（temp!
=0）;
//Read Start Byte form MMC/SD-Card （FEh/Start Byte）
//Now data is ready,you can read it out.
while （Read_Byte_MMC（） !
= 0xfe）;
readPos=0;
SD_get_data（512,buffer） ; //512字节被读出到buffer中
return 0;
}
其中SD_get_data函数如下：
//----------------------------------------------------------------------------
// 获取数据到buffer中
//----------------------------------------------------------------------------
void SD_get_data（unsigned int Bytes,unsigned char *buffer）
{
unsigned int j;
for （j=0;j<=""span=""style="word-wrap:
break-word;">
*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
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