SD存儲技術及其基于S3C2410的應用

摘要:本文首先介紹了SD Memory Card ( Secure D ig ita l MemoryCard)的基本結構和原理,著重對SD 卡的命令字和操作流程進行介紹。接著研究了三星32位嵌入式處理器S3C2410與SD 卡硬件接口電路及其對SD卡的基本讀寫操作方式。

關鍵詞: SD;存儲; S3C24101

1 引言

SD卡( Secure DigitalMemory Card)是一種基于Flash的新一代存儲器,它著重數(shù)據(jù)存儲的安全、容量和性能,是許多便攜式電子產品如數(shù)碼相機、手提電話, PDA 等理想的外部存儲介質。

2　SD的基本概念

2. 1　SD的通信協(xié)議

SD卡系統(tǒng)可以在兩種通信協(xié)議下工作: SD協(xié)議和SP I協(xié)議。用戶可以在硬件初始化時自由選擇SD卡系統(tǒng)的通信協(xié)議。對于特定的硬件電路,用戶只需使用一種通信協(xié)議即可。

本文根據(jù)筆者的硬件,僅討論最常用的SD協(xié)議。

2. 2　SD數(shù)據(jù)傳輸方式

SD支持兩種數(shù)據(jù)傳輸方式: 1 - bit方式(標準總線)和4- bit方式(寬總線) 。在1 - bit方式下,數(shù)據(jù)僅僅在數(shù)據(jù)線0(DAT[ 0 ] ) 上傳輸。在4 - bit方式下, 數(shù)據(jù)在4 根數(shù)據(jù)線(DAT[ 3: 0 ] )上同時傳輸。在4 - bit數(shù)據(jù)傳輸方式下,最高的數(shù)據(jù)傳輸速率可達100Mb / sec。表1列出了在兩種方式下SD接口信號的定義。

上電后, 缺省狀態(tài)下系統(tǒng)工作于1 - bit方式。在SD卡處于傳輸狀態(tài)時, 用戶可以自由地更改為1 - bit或4 - bit方式。

2. 3　SD 通信原理

SD總線是一個星型的總線結構,系統(tǒng)中允許有一個主控器,最多可達十個從設備( SD卡) 。在系統(tǒng)初始化時,主控器分別為每一個設備分配一個設備地址,此后主控器就可以根據(jù)此設備地址獨立操作該設備。

SD總線通信是基于命令和數(shù)據(jù)位流的,每一個數(shù)據(jù)流都包括一個起始位和一個結束位。

每一個SD命令表征一個卡操作的開始。SD命令由命令線(CMD)進行傳輸。

SD卡在接收到命令后,會向主控器發(fā)送一個應答信號,表征已經接收了一個命令。應答信號傳輸在CMD線上。有小部分的命令是沒有應答信號的,這取決于命令的類型。

SD數(shù)據(jù)傳輸是雙向。所有的數(shù)據(jù)傳輸都在數(shù)據(jù)線上進行。

2. 4　SD系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)組織格式

SD系統(tǒng)中的命令傳輸、應答信號傳輸和數(shù)據(jù)傳輸都有各自專門的組織形式,如圖1。

所有的命令字、應答和數(shù)據(jù)的第一位都為起始位“0”,最后一位為結束位“1”。

命令字和應答中的第二位為發(fā)送者標志位,“1”表示主控器命令,“0”表示SD卡應答信號。

SD卡根據(jù)所接收命令字的不同,有R1, R2, R3和R6四種不同的應答,具體可參考SD相關文檔。

在進行數(shù)據(jù)傳輸時,如果使用寬總線傳輸方式,同一時間有四位數(shù)據(jù)在傳輸,分別使用四根數(shù)據(jù)線。每根數(shù)據(jù)線上的CRC校驗碼是獨立計算的。

3　SD卡操作流程

SD系統(tǒng)所有的通信都由主控器控制。主控器必須負責系統(tǒng)的初始化,設置通信中必需的各種參數(shù),然后再發(fā)起數(shù)據(jù)讀取或寫入操作。在這一系列過程中, SD卡可能處于如表2所示的各種狀態(tài)中的一種。

3. 1　系統(tǒng)初始化

此階段系統(tǒng)的操作模式屬于卡鑒別模式。

主控制器首先發(fā)送命令字CMD0重置所有系統(tǒng)中處于鑒別模式中的卡。接收到命令CMD0后, SD卡將被初始化,并獲得一個缺省的地址0 (相對卡地址寄存器RCA = 0x0) 。

接著主控器以自己要求的工作電壓范圍為參數(shù)發(fā)送命令ACMD41查詢SD卡的OCR (工作環(huán)境寄存器) 。工作電壓不在此要求范圍內的卡將被排除在進一步的總線操作之外并進入非活動狀態(tài)。符合電壓范圍要求的卡將進入就緒狀態(tài)。

緊接下來主控器發(fā)送命令CMD2以獲得SD卡的標識號CID。SD卡發(fā)送了CID號后進入識別狀態(tài)。

最后,主控器以相對地址為參數(shù)發(fā)送命令CMD3, SD卡接收到命令后用該參數(shù)更新自己的RCA。此后主控器就可以使用此地址尋址該卡。

初始化完成后, SD卡就處于了數(shù)據(jù)傳輸模式的等待狀態(tài),這是數(shù)據(jù)傳輸模式的初始狀態(tài)。此時通過卡選擇命令CMD7就進入傳輸狀態(tài),可以進行數(shù)據(jù)的寫入與讀出了。

3. 2　SD寫操作

SD卡的讀寫是以數(shù)據(jù)塊為基本單位的。數(shù)據(jù)塊的大小因卡而異,通常塊大小為512字節(jié)(Byte)到2048字節(jié)。特定卡的數(shù)據(jù)塊的大小在卡的特性寄存器(CSD)中有定義。特殊情況下,部分卡支持小塊(最小可以字節(jié)為單位)讀寫。但推薦以塊為單位進行讀寫。

SD卡支持單塊寫入和多塊寫入。單塊寫入使用命令CMD24,多塊寫入使用命令CMD25。當有多個數(shù)據(jù)塊要寫入時,使用多塊寫入要比多次執(zhí)行單塊寫入能獲得更高的效率。

由于SD卡內部具有緩存區(qū),上述過程SD卡處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài),接收到的數(shù)據(jù)并未真正寫入到SD卡的記憶體(memo2ry)內,而是存放在SD卡的緩存區(qū)內。當接收數(shù)據(jù)完成后, SD卡自動進入數(shù)據(jù)編程狀態(tài),這才真正地把數(shù)據(jù)寫入SD卡的記憶體內。

3. 3　SD讀操作

與寫操作對應, SD卡支持單塊讀取和多塊讀取。單塊讀取使用命令CMD17,多塊讀取使用命令CMD18。當有多個數(shù)據(jù)塊要讀取時,使用多塊讀取要比多次執(zhí)行單塊讀取能獲得更高的效率。

4　基于S3C2410的應用

三星的S3C2410是一款32位嵌入式處理器,其內建了一個SD主控器,兼容SD 1. 0、MMC 2. 11和SD IO 1. 0版本。使用S3C2410可以方便地與SD卡接口。

4. 1　S3C2410和SD卡的接口

S3C2410與SD卡的接口如圖2所示。其中nCD_SD為卡偵測信號,WP_SD為卡的寫保護信號。對于簡單的寫操作,只需在寫入前檢測WP_SD位。

4. 2　使用S3C2410對SD卡進行讀寫

在通常的SD讀寫操作中,可以使用查詢方式、中斷方式或DMA。當SD卡處于傳輸狀態(tài)后,先重置S3C2410發(fā)送緩沖區(qū)、選擇總線寬度、選擇讀數(shù)據(jù)或寫數(shù)據(jù)、選擇讀寫數(shù)據(jù)塊的數(shù)量,選擇讀寫數(shù)據(jù)塊的起始地址,寫入讀或寫命令字,然后根據(jù)要讀寫的數(shù)據(jù)塊數(shù)目連續(xù)地從/向SD數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀出或寫入一個或多個數(shù)據(jù)塊。以下代碼可以使用查詢方式向SD卡寫入一個或多個數(shù)據(jù)塊:

對SD卡進行讀操作的流程與寫操作類似,僅是使用的命令字不同。用戶可根據(jù)寫操作代碼進行修改。

5　結束語

隨著越來越多的電子產品支持SD存儲卡, SD卡的應用范圍越來越廣。由32位嵌入式處理器S3C2410和SD卡結合構成的存儲系統(tǒng),為用戶提供了安全、輕便的存儲解決方案。SD卡功能較多,所有操作并非本文能講述清楚的。但通過本文的介紹,讀者可以對SD有一個概念上的了解,并清楚其基本的操作過程,進而加以延伸。