dsPIC33F系列DSC的SD存储卡接口设计.

1、dsPIC33F系列DSC的SD存储卡接口设计引言SD存储卡（Secure Digital Memory Card） 由SD联盟（松下、东芝及美 国 SanDisk 公司）于 1999年8月共同开发研制，是一种基于半导体快闪存储器 的新一代存储设备，被广泛地使用在便携式装置上，例如数码相机、PDA和多媒体播放器等。大小犹如一张邮票的 SD存储卡，重量只有2g，却拥有高存储 容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。SD卡支持SD和 SPI两种传输模式，主机系统可以选择其中任意一种模 式。SD模式允许4线的高速数据传输。SPI模式使用通用的SPI接口。这种模 式相对于SD模式的不足

2、之处是丧失了速度，但是却有着接口简单易于实现的优 点。SD卡的SPI模式使得SD卡可以和市场上大部分微控制器进行通信。Microchip公司的dsPIC33F系列通用DSC数字信号控制器），是在16 位MCI架构基础之上添加了 DSP引擎，从而具有数字信号处理功能的微控制器 产品。该系列DSC集成了 DCI（数据转换器）接口，尤其适用于语音和音频的应 用。本文首先简要介绍SD卡的相关规范，之后利用dsPIC33FJ64GP706S用 DSC设计了 SD卡接口电路，最后通过 SPI模式实现了对SD卡的基本操作。本 设计可以使SD存储卡成为类似嵌入式系统产品的数据存储器。1 SD卡相关规范简介SD

3、联盟在2000年联合发布了 SD卡规范1. 0版本，包括3个部分：物 理层规范，文件系统规范以及安全规范。SD卡规范V1. 0采用FAT的文件系统，因此最大存储容量可以达到 2 GB。2006年，SD卡规范V2. 0发布。新规 范根据容量定义了两种卡，即标准容量 SD卡和大容量SD卡。前者和1. O版本 保持兼容，后者由于采用了 FAT32文件系统，存储容量突破了 2 GB的限制。新 规范定义的最大容量为32 GB。但是由于成本的原因，标准容量 SD卡仍然是市 场的主流产品。在以微控制器为核心的嵌入式系统中，主要使用SD卡的SPI。模式进行通信，这使得标准容量的 SD卡更为合适。本设计适用于2

4、GB以下任意 容量的SD卡。1. 1 概 述SD存储卡在2. 73. 6 V电压下正常工作，工作频率为 025MHz图 1是普通SD卡的外形和引脚排列。在 SPI模式时，第8和第9脚不使用。表1 列出了各引脚在 SPI 模式时的定义和功能描述。图中的WP是个机械滑片，通过滑动到不同的位置来对 SD卡进行写保 护。SD卡内部有6个和接口相关的寄存器： OCR CID、CSD RCA DSR和 SCR它们只能通过各自对应的指令来访问。 OCR CID、CSD和 SCF携带SD卡 的规范信息，RCA和 DSF作为配置寄存器装载了 SD卡的配置参数。1. 2 SPI 协议系统上电之后，如果主机在将 C

5、S线声明为低电平的同时发送复位指令 （CMDO）则SPI模式启用。SD卡在SPI模式下按字节进行通信，每一个指令和 数据块都由数个字节组成并与 CS信号对齐（也就是长度为8个时钟周期的整数 倍）。主机和SD卡之间是通过指令与响应来实现交互的。图 2 给出了 SPI 模式下基本的指令与响应的时序。图中一个方格代表一个字节，H为逻辑全“ 1”，L为逻辑全“O, X 代表未知，Z为高阻态。NCS NEC和NCR都是包含N个8时钟周期，具体N的 取值范围在SD卡规范中给出了详细的说明。SD 卡所有的指令，长度都是 6字节。表 2列出了指令格式。在有效接收到主机发来的指令之后，SD卡将会把对应的响应数据

6、段放 在总线上，主机根据响应的内容判断 SD卡的状态。所有的响应都是 MSB优先传 输。SD卡有4种类型的响应格式，分别为 R1、R1b R2、Rd除了 SEND_STATUS READ_OC指令外，其他指令的响应都是格式 R1。 格式 R1 的长度为 1 字节，并且最高位总是 0。其余每位均是错误指示，在指令 接收过程中发生了什么样的错误，对应的错误位就会是“ 1”。R1b和R1具有 相同的格式，它将伴随一个附加的 busy 信号。 busy 信号的长度可以是任意个 字节。全零表示卡处在“忙”的状态。格式 R2的长度为2字节，它是指令 SEND_STATUS向应。它的高字节和 R1相同，低字

7、节同样作为状态指示。当接 收到了 READ_OC指令时，SD卡将会产生格式R3的响应，该响应的长度为5字 节。最高字节和R1相同，其余的4字节将包含SD卡的OCR寄存器信息。在SD卡规范中详细描述了每条指令的格式内容及作用，并给出了各条 指令所对应的响应。对于每种响应的信息也有详细的说明，具体信息参阅参考 文献。2 SD 卡接口电路设计16位的dsPIC33F系列DSC具有高达40 MIPS的指令周期，继承了 Microchip公司之前8位和16位MCI产品的优点，并保持着对以往低成本开发 系统的兼容性。dsPIC33FJ64GP70是其中一款64引脚的通用产品，拥有高达 64 KB 的 Fl

8、ash 程序存储器和 16 KB 的数据存储器。该芯片集成了 2 个通用 SPI 接口，本设计使用SPI2模块来建立和SD存储卡的通信。图3所示为dsPIC33FJ64GP706W SD卡座的接口电路。为了防止在无卡 接入或卡驱动器呈高阻态时总线悬空，在每根信号线上要接一个上拉电阻，根 据SD卡规范（见参考文献，第6章），电阻的阻值可以取1090kQ。卡座的CD 引脚是SD卡检测信号引脚，当有卡插入时，该引脚对地短路。WP是写保护信号引脚，在卡插入且没有写保护时，该引脚对地短路；如果SD卡写保护或没有卡插入，该引脚通过上拉电阻接到电源正极。3 SD 卡接口的实现3. 1选择SD卡的SPI模式并

9、初始化SD卡在上电之后，主机开始发送时钟信号，此时的时钟频率不能超过 400 kHz。主机要连续发送至少74个时钟周期的“ 1”才能使SD卡准备好通信，然 后选择SPI模式。SD卡进入SPI模式之后，就可以接收来自主机的操作指令 了。这时候主机发送SEND_OP_CO指令，激活卡的初始化过程。在得到正确的 响应之后，主机再发送SEND_CS指令读取CSD寄存器的内容。正确响应之后，将SPI总线时钟频率提高到10 MHz初始化过程结束32 指令和响应交互过程的软件实现typSD_CM是自定义的结构类型，包含指令索引、CRC和响应格式。最后一个字节数据用来说明该指令有无后续数据块，例如READ_S

10、INGLE_BLOCK（数据块读指令），它需要SD卡发送一个数据块的数据，因此其后的数据为 “1”。对于指令索引，是把开始位和传输位与 6位索引值包含在一起的数据。 例如GO_IDLE_STAT的索引值是二进制“ OOOOO0,加上开始位“ O和传输位“ 1”，成为“ 01000000”，即“ 0x40, READ_SINGLE_BLO的索弓I值是 “010001”，加上开始位和传输位，成为“ 01010001”即0x51”。定义发送指令函数为 SendSDCmd（，） 返回值为从总线上读取的响应数 据。 （具体函数略编者注 ）函数的第一个参数是指令列表数组中相应指令元 素的序号，函数会根据它

11、的值在指令表中查到对应的信息，第二个参数是指令 的附加内容。函数中CMD_PACKET按指令格式（见表2）定义的联合类型，程序 通过查表的方式将指令的内容装载到该类型定义的变量中，并通过函数 Write_sd（）发送出去。write_sd（）的作用是把一个字节的数据放到 SPI2模块的 burfer里，完成一个字节的发送。函数 ReadSd（）用来读取SPI2接收的一个字 节数据。如果接收的数据是 0xff ，则不是响应数据；如果接收到的响应不为全 零，则说明有错误发生。以上程序按照图 2所示时序执行，来实现一次指令和响应数据的交互。 当某条指令有后续数据时，按照规范中的时序发送或者读取数据。

12、33 读写操作的实现READ_SINGLE_BLO是单数据块读指令，在接收到有效的读指令后 SD 卡将会送出一个响应。紧接着是一个带 16位CRC校验后缀的数据块，数据块的 长度要在之前由SET_BLOCKEN（CMC指令定义，一般为512字节，正好一个扇 区的大小。数据块的开始是1字节的开始令牌，值为“ OxFE,结束是2字节 的CRC该操作的通信过程如图4所示。WRITE_SINGLE_BLOCK单数据写操作指令，在接收到主机传来的数据 后，SD卡会发送一个值为0x5的数据响应，之后进入busy状态。该操作的通 信过程如图 5 所示。按照以上通信过程编写程序，单数据块读和写的程序流程如图 6所示。4 结果验证将容量为1 GB的SD卡插入SD读卡器，再将读卡器插入PC机的USB接 口中，此时系统出现“可移动磁盘（H：） ”根目录。打开win hex软件，点击 “工具”下拉菜单中的“打开磁盘”，选择“物理磁盘”中的“RMl： CenericSTORAGE DEVICE（O9G USB”，单击“确定”按钮，得到该 SD卡第一个物理 扇区的数据。该SD卡在偏移量从446开始的16个字节有数据“ 00 03 3D 00 06 OD ED DB F