51单片机SD卡SPI模式操作_1568.doc

【51单片机SD卡SPI模式操作】 摘要:sd卡有两种接口模式,一种是sd模式,另一种是spi模式。在spi模式下,有六根接口线与主机相连,5V电平的51单片机通过电平转换可与3.3V电平的sd卡相连接。51单片机没有专门的spi总线,可以用51单片机的IO口来模拟spi总结时序。主机与sd卡的数据交换主要通过命令来实现,通过发送cmd0命令对sd卡进行复位,发送命令cmd1实现sd卡的spi模式初始化。cmd17、cmd18命令是sd卡的读写扇区命令,对sd卡的操作是严格按照时序进行的。 关键词:sd卡;spi接口;时序 sd卡以其大容量、低成本、携带方便、存储数据简单和安全可靠性高被大量应用于数码电子设备中,比如数码相机、数码摄像机、mp3、pda、电子学习机、电子图书等。对sd卡的操作有复位、初始化、读写等,下面以本人掌握的材料对sd卡的操作进行分析。 一、sd卡的结构 sd卡的外形与接口如图1,它有9个接点与主机相连,其接口端定义如表1所示。sd卡有两种操作模式,一种是sd模式,另一种是spi模式,不同模式下端口的定义不同。SD模式有一个时钟线、一个命令/反馈线、四根输入/输出信号线、两个电源地和一个电源,所有九根线都有定义,数据传输速率较快。SPI模式只用到CS片选、数据输入、数据输出、时钟、电源地及电源六根线。SPI模式较SD模式速度较慢,但很多单片机都有专用的SPI总线,可与sd卡直接相连,使用方便。 SD卡的内部结构如图2所示,主要有四部分组成,一是接口电路,共有九个接口电路,定义如表1所示。二是接口控制电路,所有操作都由该控制电路具体去执行。三是内部寄存器组OCR、CID、RCA等。四是存储数据的存储单元。接口电路通过控制电路与内部寄存器组成存储单元交换数据,其主要操作有写命令、读数据、写数据、读状态等。 二、sd卡的命令格式 sd卡的命令格式固定为6个字节48个位,其格式如图3所示。 开始位固定为0,第二位固定为1,表示主机给sd卡的命令,然后是6位命令索引号,索引号的大小与索引号数字相同,比如cmd0的索引号为000000,索引号41为101001。紧接着命令索引号是命令参数,有些命令有参数,有些命令没有参数,比如cmd0和cmd1命令参数为32个0,而命令cmd24、cmd17的命令参数是数据的读写地址。最后是7位CRC校验位和一位停止位1。根据命令索引号可推知sd卡的命令最多不超过64个(有些命令索引号为保留以后升级用,没有实际的命令相对应),sd卡协议把卡的命令分为若干类,有些命令只有对sd模式起作用,有些命令只对spi模式起作用,大部分命令是通用的,两种模式下具有相同的命令。 三、51单片机与sd卡在spi模式下的连接 由于51单片机内部没有集成spi模块,使用51单片机与sd卡通讯要用51单片机的IO口模拟spi时序,原则上51单片机的P0、P1、P2、P3口的任意位都可以与sd卡相连,但由于P0与P2口常用于单片机的数据与程序存储器扩展,而P3口又多用于第二功能,比如串行通讯、计数、外部中断等,实际上常用P1口与外部设备连接。第二个问题是接口电平的匹配,像at89s51等大多数单片机都是5v电平,而sd卡的电平是3.3v,超过3.6V的电压将可能烧坏sd卡,所以两者之间要进行电平转换。一种思路是用专用电平转换芯片,但代价较高,另一种是用分压的方式或降压的方式进行电平转换,转换电路如图4所示。 图4中左图是一个分压式电平转换电路,当输入是5V高电平时,经分压输入3.3V,当输入是0V低电平时,输出端仍然是0V低电平。图4中右图是一二极管降压电路,当输入为5V时,经二极管降压,输出为3.3V,当输入为0V时,二极管截止,输出仍然是0V。两种转换电路都是单向转换,只能是从5V电平转换为3.3V电平。 单片机与sd卡的连接电路图为图5所示。由单片机到sd卡的信号需要5V电平到3.3V电平的转换,cs片选信号、sd卡的数据输入信号以及sclk时钟信号都进行了分压式电平转换,并且所有电路都加有上拉电阻。由sd卡到单片机的dout信号线直接接到了单片机的IO端口上,如果单片机不能确认3.3V为高电平,从sd卡到单片机的电路也需要进行电平转换。 四、sd卡spi模式下操作时序 1.复位操作。sd卡进行正常读写前必须进行复位操作,复位操作的命令为cmd0,由0x40,0x00,0x00,0x00, 0x00,0x95组成,前两位固定为01索引号为000000,参数为32位0,CRC校验为1001010,结束位为1。进行sd卡操作必须满足严格的时序,其时序图为所6所示。复位操作由5个步骤组成,首先在片选信号cs为高电平时,发送至少74个时钟周期;第二片选CS拉低,发送cmd0命令;第三发送一定数量的时钟信号,等待复位成功;第四如果收到01h应答信号,表明复位成功,如果收到的信号始终是ffh信号,表明复位失败,需要重复进行复位操作;第五片选CS拉高并发送8个时钟信号完成整个复位操作。 2.初始化操作。进行spi模式操作前,必须进行spi初始化,初始化命令为cmd1,由0x41,0x00,0x00,0x00,0x0 0,0xff组成。前两位固定为01,命令索引号为000001,32位参数为0,CRC校验为1111111,结束标志为1。初始化时序为图7所示。首先把片选CS拉低,发送cmd1信号;插入一定量的时钟信号,等待sd在spi模式下的复位;如果收到00h的信号表明初始化成功,如果收到的信号始终是ffh,则表明初始化失败,需要重新初始化操作;拉高片选CS,并且发送8位时钟信号,完成整个初始化操作。 3.spi模式下读扇区操作。对sd卡的操作主要是对存储在sd卡的数据进行读写,spi模式下的读扇区操作时序如图8所示。读扇区命令为cmd17,由0x51,32位读地址,0xff组成。前两位固定为01,命令索引号为010001,参数为32位读扇区地址,CRC校验为1111111,结束标志为1。首先把CS拉低,发送cmd17,插入一定量的时钟信号,等待命令发送成功,当收到00h信号后表明命令发送成功,如果始终收到的是FFh则表明发送命令失败,需要重复发送,插入一定量的时钟信号,等待读取扇区数据。当收到0xfe标志后,表示随后的512字节为接收的数据,512个字节后是两字节CRC校验位,但在spi模式下,并不关心这些位的具体数值。操作结束,拉高CS位,并发送8个时钟信号。读取的数据长度可以由cmd16设定,默认值是512个字节。 4.spi模式下写扇区操作。对sd卡的操作主要是对存储在sd卡的数据进行读写,spi模式下的写扇区操作时序如图9所示。写扇区命令为cmd24,由0x58,32位读地址,0xff组成。前两位固定为01,命令索引号为011000,参数为32位写扇区地址,CRC校验为1111111,结束标志为1。 spi模式下,写扇区操作可以分成三部分,第一是写命令cmd24,时序与前面的读扇区相同。CS拉低,写入cmd24,插入一定量的时钟信号,当读回的是00h时,表示命令写入成功,然后再插入一定量的时钟信号,如图中1-4部分。第二是向sd卡写入512字节的数据,同读扇区命令相同,写入的字节数也可由cmd16设定,默认是512字节。首先写入扇区开始标志FFh,紧接着写入512字节的数据,最后是两字节的CRC校验,因为spi模式下并不关心CRC校验的数据,CRC校验的数据可以是两个0xFF。发送完数据后可以连续读sd卡,如果读回的数据的低五位是00101表明写入的512个字节的数据被sd卡所接收,整个过程如图中5-8部分。第三是将数据存入sd卡相应的flash存储单元中,这个过程需要一定时间,在此时间段,sd卡呈现忙状态,读sd卡数据端数据为00h,此时间段需要发送一定量的时钟信号;直到读sd卡的数据端读回的数据是FFh,表示数据写入成功,拉高CS片选,插入8个时钟信号。 结语 sd卡的操作还有很多,比如读内部寄存器CID、CSD等信息,对sd卡的数据的擦除等等,其操作大同小异,只不过使用的命令不同。在sd卡的复位及初始化时期,sd卡时钟信号应该保持低速,否则就可能引起复位及初始化失败。sd卡在spi模式下,通信速率较低,要充分发挥sd卡的优势,sd卡应工作在sd模式下。随着嵌入