淺談dsPIC33F系列DSC的SD存儲(chǔ)卡接口設(shè)計(jì)

引 言

SD卡是Secure Digital Card卡的簡稱，直譯成漢語就是“安全數(shù)字卡”，是由日本松下公司、東芝公司和美國SANDISK公司共同開發(fā)研制的全新的存儲(chǔ)卡產(chǎn)品。SD存儲(chǔ)卡是一個(gè)完全開放的標(biāo)準(zhǔn)（系統(tǒng)），多用于MP3、數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、電子圖書、AV器材等等，尤其是被廣泛應(yīng)用在超薄數(shù)碼相機(jī)上。SD卡在外形上同MultiMedia Card卡保持一致，大小尺寸比MMC卡略厚，容量也大很多。并且兼容MMC卡接口規(guī)范。不由讓人們懷疑SD卡是MMC升級版。另外，SD卡為9引腳，目的是通過把傳輸方式由串行變成并行，以提高傳輸速度。它的讀寫速度比MMC卡要快一些，同時(shí)，安全性也更高。SD卡最大的特點(diǎn)就是通過加密功能，可以保證數(shù)據(jù)資料的安全保密。它還具備版權(quán)保護(hù)技術(shù)，所采用的版權(quán)保護(hù)技術(shù)是DVD中使用的CPRM技術(shù)（可刻錄介質(zhì)內(nèi)容保護(hù)）。

SD卡身材小巧，一般消費(fèi)者在購買之前不會(huì)有太多了解，因此從外觀上辨別有些困難，下面為大家介紹一下市場上常見的SanDisk牌SD卡真假的辨別方法： 首先是看存儲(chǔ)卡本身， sandisk正品儲(chǔ)存卡都在正面貼有激光變彩標(biāo)簽，不同角度都會(huì)產(chǎn)生激光色彩變化。其次是國內(nèi)代理的行貨正品卡，均采用了與上面相類似的塑料封裝的包裝形式，但是右下的“5年保證”的字樣和日文均改為了圖形表明的5年質(zhì)保。另外，還可以從SD卡底部是否有缺口來進(jìn)行最簡單識別，由于正品 SanDisk 牌 SD 卡背面產(chǎn)地上方的編號是惟一的，并可通過 800 電話查詢真?zhèn)?，但?jù)說這一查詢系統(tǒng)目前尚未做好。

Microchip公司的DSPIC33F系列通用DSC（數(shù)字信號控制器），是在16位MCU架構(gòu)基礎(chǔ)之上添加了DSP引擎，從而具有數(shù)字信號處理功能的微控制器產(chǎn)品。該系列DSC集成了DCI（數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器）接口，尤其適用于語音和音頻的應(yīng)用。

本文首先簡要介紹SD卡的相關(guān)規(guī)范，之后利用dsPIC33FJ64GP706通用DSC設(shè)計(jì)了SD卡接口電路，最后通過SPI模式實(shí)現(xiàn)了對SD卡的基本操作。

1 SD卡相關(guān)規(guī)范簡介

SD聯(lián)盟在2000年聯(lián)合發(fā)布了SD卡規(guī)范1.O版本，包括3個(gè)部分：物理層規(guī)范，文件系統(tǒng)規(guī)范以及安全規(guī)范。SD卡規(guī)范V1.0采用FAT的文件系統(tǒng)，因此最大存儲(chǔ)容量可以達(dá)到2 GB。2006年，SD卡規(guī)范V2.0發(fā)布。新規(guī)范根據(jù)容量定義了兩種卡，即標(biāo)準(zhǔn)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文件系統(tǒng)，存儲(chǔ)容量突破了2 GB的限制。新規(guī)范定義的最大容量為32 GB。但是由于成本的原因，標(biāo)準(zhǔn)容量SD卡仍然是市場的主流產(chǎn)品。在以微控制器為核心的嵌入式系統(tǒng)中，主要使用SD卡的SPI。微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過20多年的發(fā)展，其成本越來越低，而性能越來越強(qiáng)大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機(jī)控制、條碼閱讀器／掃描器、消費(fèi)類電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電（洗衣機(jī)、微波爐）等。

1.1 概 述

SD存儲(chǔ)卡在2.7～3.6 V電壓下正常工作，工作頻率為0～25MHz。圖1是普通SD卡的外形和引腳排列。在SPI模式時(shí)，第8和第9腳不使用。表1列出了各引腳在SPI模式時(shí)的定義和功能描述。

圖中的WP是一個(gè)機(jī)械滑片，通過滑動(dòng)到不同的位置來對SD卡進(jìn)行寫保護(hù)。

SD卡內(nèi)部有6個(gè)和接口相關(guān)的寄存器：OCR、CID、CSD、RCA、DSR和SCR。它們只能通過各自對應(yīng)的指令來訪問。

1.2 SPI協(xié)議

系統(tǒng)上電之后，如果主機(jī)在將CS線聲明為低電平的同時(shí)發(fā)送復(fù)位指令（CMDO），則SPI模式啟用。SD卡在SPI模式下按字節(jié)進(jìn)行通信，每一個(gè)指令和數(shù)據(jù)塊都由數(shù)個(gè)字節(jié)組成并與CS信號對齊（也就是長度為8個(gè)時(shí)鐘周期的整數(shù)倍）。

主機(jī)和SD卡之間是通過指令與響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)交互的。

圖2給出了SPI模式下基本的指令與響應(yīng)的時(shí)序。

圖中一個(gè)方格代表一個(gè)字節(jié)，H為邏輯全“1”，L為邏輯全“O”，X代表未知，Z為高阻態(tài)。NCS、NEC和NCR都是包含N個(gè)8時(shí)鐘周期，具體N的取值范圍在SD卡規(guī)范中給出了詳細(xì)的說明。

　　SD卡所有的指令，長度都是6字節(jié)。表2列出了指令格式。

在有效接收到主機(jī)發(fā)來的指令之后，SD卡將會(huì)把對應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)段放在總線上，主機(jī)根據(jù)響應(yīng)的內(nèi)容判斷SD卡的狀態(tài)。所有的響應(yīng)都是MSB優(yōu)先傳輸。SD卡有4種類型的響應(yīng)格式，分別為R1、R1b、R2、R3。

除了SEND_STATUS和READ_OCR指令外，其他指令的響應(yīng)都是格式R1。格式R1的長度為1字節(jié)，并且最高位總是0。其余每位均是錯(cuò)誤指示，在指令接收過程中發(fā)生了什么樣的錯(cuò)誤，對應(yīng)的錯(cuò)誤位就會(huì)是“1”。R1b和R1具有相同的格式，它將伴隨一個(gè)附加的busy信號。busy信號的長度可以是任意個(gè)字節(jié)。全零表示卡處在“忙”的狀態(tài)。格式R2的長度為2字節(jié)，它是指令SEND_STATUS的響應(yīng)。它的高字節(jié)和R1相同，低字節(jié)同樣作為狀態(tài)指示。

在SD卡規(guī)范中詳細(xì)描述了每條指令的格式內(nèi)容及作用，并給出了各條指令所對應(yīng)的響應(yīng)。對于每種響應(yīng)的信息也有詳細(xì)的說明，具體信息參閱參考文獻(xiàn)。

2 SD卡接口電路設(shè)計(jì)

16位的dsPIC33F系列DSC具有高達(dá)40 MIPS的指令周期，繼承了Microchip公司之前8位和16位MCU產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，并保持著對以往低成本開發(fā)系統(tǒng)的兼容性。dsPIC33FJ64GP706是其中一款64引腳的通用產(chǎn)品，擁有高達(dá)64 KB的Flash程序存儲(chǔ)器和16 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

圖3所示為dsPIC33FJ64GP706與SD卡座的接口電路。為了防止在無卡接入或卡驅(qū)動(dòng)器呈高阻態(tài)時(shí)總線懸空，在每根信號線上要接一個(gè)上拉電阻，根據(jù)SD卡規(guī)范（見參考文獻(xiàn)，第6章），電阻的阻值可以取10～90kΩ。卡座的CD引腳是SD卡檢測信號引腳，當(dāng)有卡插入時(shí)，該引腳對地短路。WP是寫保護(hù)信號引腳，在卡插入且沒有寫保護(hù)時(shí)，該引腳對地短路；如果SD卡寫保護(hù)或沒有卡插入，該引腳通過上拉電阻接到電源正極。

3 SD卡接口的實(shí)現(xiàn)

3.1 選擇SD卡的SPI模式并初始化SD卡

在上電之后，主機(jī)開始發(fā)送時(shí)鐘信號，此時(shí)的時(shí)鐘頻率不能超過400 kHz。主機(jī)要連續(xù)發(fā)送至少74個(gè)時(shí)鐘周期的“1”才能使SD卡準(zhǔn)備好通信，然后選擇SPI模式。SD卡進(jìn)入SPI模式之后，就可以接收來自主機(jī)的操作指令了。這時(shí)候主機(jī)發(fā)送SEND_OP_COND指令，激活卡的初始化過程。在得到正確的響應(yīng)之后，主機(jī)再發(fā)送SEND_CSD指令讀取CSD寄存器的內(nèi)容。

3.2 指令和響應(yīng)交互過程的軟件實(shí)現(xiàn)

typSD_CMD是自定義的結(jié)構(gòu)類型，包含指令索引、CRC和響應(yīng)格式。最后一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)用來說明該指令有無后續(xù)數(shù)據(jù)塊，例如READ_SINGLE_BLOCK（單數(shù)據(jù)塊讀指令），它需要SD卡發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)，因此其后的數(shù)據(jù)為“1”。對于指令索引，是把開始位和傳輸位與6位索引值包含在一起的數(shù)據(jù)。例如G0_IDLE_STATE的索引值是二進(jìn)制“000000”，加上開始位“O”和傳輸位“1”，成為“01000000”，即“Ox40”，READ_SINGLE_BLOCK的索引值是“010001”，加上開始位和傳輸位，成為“01010001”即0x51”。

定義發(fā)送指令函數(shù)為SendSDCmd（），返回值為從總線上讀取的響應(yīng)數(shù)據(jù)。（具體函數(shù)略——編者注）函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)是指令列表數(shù)組中相應(yīng)指令元素的序號，函數(shù)會(huì)根據(jù)它的值在指令表中查到對應(yīng)的信息，第二個(gè)參數(shù)是指令的附加內(nèi)容。函數(shù)中CMD_PACKET是按指令格式（見表2）定義的聯(lián)合類型，程序通過查表的方式將指令的內(nèi)容裝載到該類型定義的變量中，并通過函數(shù)Write_sd（）發(fā)送出去。write_sd（）的作用是把一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)放到SPI2模塊的burfer里，完成一個(gè)字節(jié)的發(fā)送。函數(shù)ReadSd（）用來讀取SPI2接收的一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

以上程序按照圖2所示時(shí)序執(zhí)行，來實(shí)現(xiàn)一次指令和響應(yīng)數(shù)據(jù)的交互。當(dāng)某條指令有后續(xù)數(shù)據(jù)時(shí)，按照規(guī)范中的時(shí)序發(fā)送或者讀取數(shù)據(jù)。

3.3 讀寫操作的實(shí)現(xiàn)

READ_SINGLE_BLOCK是單數(shù)據(jù)塊讀指令，在接收到有效的讀指令后SD卡將會(huì)送出一個(gè)響應(yīng)。緊接著是一個(gè)帶16位CRC校驗(yàn)后綴的數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊的長度要在之前由SET_BLOCKEN（CMDl6）指令定義，一般為512字節(jié)，正好一個(gè)扇區(qū)的大小。該操作的通信過程如圖4所示。

WRITE_SINGLE_BLOCK是單數(shù)據(jù)寫操作指令，在接收到主機(jī)傳來的數(shù)據(jù)后，SD卡會(huì)發(fā)送一個(gè)值為0x5的數(shù)據(jù)響應(yīng)，之后進(jìn)入busy狀態(tài)。該操作的通信過程如圖5所示。

按照以上通信過程編寫程序，單數(shù)據(jù)塊讀和寫的程序流程如圖6所示。

4 結(jié)果驗(yàn)證

將容量為1 GB的SD卡插入SD讀卡器，再將讀卡器插入PC機(jī)的USB接口中，此時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)“可移動(dòng)磁盤（H：）”根目錄。打開winhex軟件，點(diǎn)擊“工具”下拉菜單中的“打開磁盤”，選擇“物理磁盤”中的“RMl：Ceneric STORAGE DEVICE（O.9G，USB）”，單擊“確定”按鈕，得到該SD卡第一個(gè)物理扇區(qū)的數(shù)據(jù)。該SD卡在偏移量從446開始的16個(gè)字節(jié)有數(shù)據(jù)“00 03 3D 00 06 OD ED DB F9 00 00 OO 07 5F 1E 00”，該扇區(qū)結(jié)束的兩個(gè)字節(jié)為“55AA”，其余部分?jǐn)?shù)據(jù)均為“00”。

將SD卡取出，插入本設(shè)計(jì)電路的SD卡座中，用示波器連接D0、CLK和DI線，接通電源，測量SPI總線上的波形。

本設(shè)計(jì)利用dsPIC33FJ64GP706的SPI接口實(shí)現(xiàn)了對SD存儲(chǔ)卡的操作，可以把SD卡和dsPIC33F系列DSC兩方面的優(yōu)點(diǎn)集中到一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中，有較高的利用價(jià)值。