基于嵌入式系統(tǒng)的多媒體存儲(chǔ)卡接口設(shè)計(jì)

　　嵌入式系統(tǒng)由于本身存儲(chǔ)容量的限制，急需擴(kuò)展外存，多媒體卡(MMC)就是解決外存擴(kuò)展的一個(gè)很好的方案。

　　多媒體卡在多媒體領(lǐng)域廣泛用作外部存儲(chǔ)介質(zhì)，但是大多數(shù)微處理器(MCU)并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的多媒體卡控制器，多媒體卡的串行外設(shè)模式給了不具有多媒體卡控制器而需要讀寫(xiě)多媒體卡的微處理器另一種選擇，串行外設(shè)接口協(xié)議是廣泛支持的總線協(xié)議，它通過(guò)串行外設(shè)接口總線與多媒體卡相連。本文介紹了MMC卡的工作原理和多媒體卡的串行外設(shè)接口協(xié)議(SPI)模式，給出了微處理器與MMC卡的接口電路、程序流程圖及部分程序代碼。

　　1 MMC(多媒體卡)簡(jiǎn)介

　　MMC卡(Multimedia Card)是由美國(guó)SanDisk公司和德國(guó)西門(mén)子公司在1997年共同開(kāi)發(fā)研制的一種多功能、體積小巧而容量大的快閃存儲(chǔ)卡。1998年1月十四家公司聯(lián)合成立了MMC協(xié)會(huì)(Multi-Media Card Association簡(jiǎn)稱(chēng)MMCA)。MMC卡的發(fā)展目標(biāo)主要是針對(duì)移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、MP3音樂(lè)、PDA、電子書(shū)、玩具等產(chǎn)品。MMC卡在一定程度上改善了CF卡讀寫(xiě)速度較慢的缺點(diǎn)，并且體積輕巧，抗沖擊性強(qiáng)，可反復(fù)讀寫(xiě)30萬(wàn)次左右。MMC卡4.0標(biāo)準(zhǔn)提供了更寬的數(shù)據(jù)帶寬和更快的傳輸速率，并支持雙電壓操作模式。MMC存儲(chǔ)卡還具備存儲(chǔ)區(qū)糾錯(cuò)能力和低功耗特性，如果在5 ms內(nèi)沒(méi)有接收到命令控制字，MMC卡會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，MMC卡同時(shí)還支持熱插拔。

　　MMC存儲(chǔ)卡可以分為MMC和SPI兩種工作模式，MMC模式是MMC卡的標(biāo)準(zhǔn)默認(rèn)模式，具有MMC的全部特性。而SPI模式則是MMC存儲(chǔ)卡可選的第二種模式，這個(gè)模式是MMC協(xié)議的一個(gè)子集，主要用于只需要小數(shù)量的卡和低數(shù)據(jù)傳輸率的系統(tǒng)，這個(gè)模式可以把設(shè)計(jì)成本減到最小，但性能不如MMC工作模式。

　　2 MMC的結(jié)構(gòu)及工作原理

　　2.1 MMC卡的引腳及功能

　　MMC卡通常設(shè)計(jì)為一種低成本的數(shù)據(jù)平臺(tái)和通訊介質(zhì)，目前MMC存儲(chǔ)卡的容量可達(dá)2 GB。它的接口設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單：MMC卡采用7針的接口(如圖1所示)，低成本的串行總線時(shí)鐘頻率可達(dá)20MHz,MMC的工作電壓為2.7 V～3.6 V，寫(xiě)/讀電流只有27 mA和23 mA。它的讀寫(xiě)模式包括流式、多塊和單塊。最小的數(shù)據(jù)傳送是以塊為單位的，缺省的塊大小為512字節(jié)。

　　MMC讀寫(xiě)接口機(jī)可在MMC和SPI兩種通信協(xié)議下工作，MMC是MMCA協(xié)會(huì)開(kāi)發(fā)的高性能三線制通信協(xié)議，即圖l中的CMD、CLK和DAT三根線，可尋址64 000張MMC卡，單個(gè)物理尋址可疊放30張卡，支持順序讀/寫(xiě)、單/多數(shù)據(jù)塊讀/寫(xiě)操作，MMC工作模式是MMC卡默認(rèn)的通信協(xié)議。SPI協(xié)議作為MMC卡的可選協(xié)議，工作效率不及MMC協(xié)議，但SPI協(xié)議簡(jiǎn)單易用、兼容性好、便于嵌入式系統(tǒng)連接使用。表1是MMC卡使用SPI協(xié)議時(shí)的引腳定義。

　　2.2 MMC卡的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)及功能

　　MMC卡的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)可分為四部分：MMC/SPI通信協(xié)議接口、單芯片控制器、數(shù)據(jù)閃存模塊、控制線和數(shù)據(jù)線。MMC/SPI接口實(shí)現(xiàn)與主控制器的通信;單芯片控制器完成接口協(xié)議、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)檢索、糾錯(cuò)碼算法、故障判斷處理、電源管理和時(shí)鐘控制等功能;數(shù)據(jù)閃存模塊可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)存儲(chǔ)區(qū)空間的單字節(jié)訪問(wèn);控制線和數(shù)據(jù)線可以實(shí)現(xiàn)單芯片控制器與數(shù)據(jù)閃存模塊的訪問(wèn)。

　　2.3 MMC/SPI通信協(xié)議

　　MMC卡上電后，以默認(rèn)方式進(jìn)入MMC協(xié)議模式，如果要轉(zhuǎn)入SPI協(xié)議模式，還需要進(jìn)行協(xié)議模式切換。如果要從SPI協(xié)議模式轉(zhuǎn)入MMC協(xié)議模式，則只能切斷電源后重新通電，本設(shè)計(jì)采用SPI通信協(xié)議。

　　2.4 MMC卡的文件系統(tǒng)

　　MMC卡的文件格式定義并不包括在系統(tǒng)規(guī)范內(nèi)，不過(guò)為了提高資料的交換性，還是定義了三種基本的文件系統(tǒng)，其中除了不帶分區(qū)的DOS-FAT文件系統(tǒng)和類(lèi)似硬盤(pán)帶分區(qū)的文件系統(tǒng)外，開(kāi)發(fā)者還可以定義自己獨(dú)特的文件系統(tǒng)。這些定義同樣使得MMC卡具有廣泛的操作平臺(tái)(如DOS、Windows系統(tǒng))支持性。

　　3 MMC(多媒體卡)的SPI協(xié)議

　　3.1 SPI通信協(xié)議模式及接口簡(jiǎn)介

　　SPI是一個(gè)高速同步串行輸入/輸出端口或同步串行外圍接口，是一種通用同步串行接口總線，字長(zhǎng)為8位，主要用于與各種外圍器件進(jìn)行通訊。SPI接口很容易與許多廠家的各種外圍器件直接相連，這些外圍器件可以是簡(jiǎn)單的TTL移位寄存器、復(fù)雜的LCD顯示驅(qū)動(dòng)器或A/D轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)。還可應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)、MCU與外部移位寄存器、D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器、串行EEPROM、LED顯示驅(qū)動(dòng)器等外部設(shè)備之間的通信接口擴(kuò)展。SPI接口有主、從兩種工作模式，在多主機(jī)系統(tǒng)中，SPI還可用于不同MCU之間的通訊。SPI接口的傳送速率可編程，其內(nèi)部有125個(gè)可編程的波特率，接收或發(fā)送操作均可通過(guò)中斷或查詢(xún)方式來(lái)進(jìn)行。整個(gè)工作狀態(tài)要通過(guò)設(shè)置其內(nèi)部的幾個(gè)控制寄存器來(lái)完成，如：

　　(1)SPICCR：SPI配置控制寄存器。

　　(2)SPICTL：SPI操作控制寄存器。

　　(3)SPISTS：SPI狀態(tài)寄存器。

　　(4)SPlBRR：SPI波特率寄存器。

　　(5)SPIRXEMU：SPI仿真緩沖寄存器。

　　(6)SPIRXBUF：SPI串行輸入緩沖寄存器。

　　(7)SPITXBUF：SPI串行發(fā)送緩沖寄存器。

　　(8)SPIDAT：SPI串行數(shù)據(jù)寄存器。

　　(9)SPIPRI：SPI優(yōu)先級(jí)控制。

　　如圖2和表1所示，SPI接口利用CLK、DATAIn、DataOut三線進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)操作，其中，CLK為時(shí)鐘信號(hào)，由外部控制器提供，DataIn和DataOut為數(shù)據(jù)輸入和輸出線，CS是MMC卡的片選信號(hào)線，在整個(gè)SPI操作過(guò)程中，CS必須保持低電平有效。

　　3.2 MMC卡命令的CRC校驗(yàn)

　　MMC卡在數(shù)據(jù)處理時(shí)為了確保數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的準(zhǔn)確性，均采用了CRC校驗(yàn)字，MMC卡的CRC校驗(yàn)分為兩種：CRC7和CRCl6。CRC7適合于MMC卡的所有命令，只有應(yīng)答信號(hào)格式為R3的除外，它的算法表達(dá)式為：G(x)=x7+x3+1。CRCl6用于數(shù)據(jù)塊傳輸模式的保護(hù)處理，它的算法表達(dá)式為：G(x)=x16+x12+x5+1 。

　　3.3 MMC卡的命令及答復(fù)信號(hào)

　　所有MMC卡的命令字長(zhǎng)度為6個(gè)字節(jié)，傳輸從高位開(kāi)始，且包含一個(gè)CRC校驗(yàn)字，命令字的格式如表2所示。

　　3.3.1 MMC卡的命令

　　MMC卡的命令字共分為10個(gè)命令組，每組由多個(gè)命令字組成。SPI協(xié)議模式下支持其中的6個(gè)命令組，可實(shí)現(xiàn)基本設(shè)定、數(shù)據(jù)塊讀、數(shù)據(jù)塊寫(xiě)、擦除、寫(xiě)保護(hù)和MMC卡鎖定等功能。以堆棧的檢查管理命令CIM_CHECK_STACK為例，它是命令組中的基本設(shè)定命令之一，主要是通過(guò)命令SEND_CSD(CMD9)來(lái)讀取MMC卡的信息后，與進(jìn)入系統(tǒng)中堆棧表的接口卡信息對(duì)比，如果不是上一張卡，再判定是否超時(shí)和超出卡的數(shù)量，從而確定該卡是否已進(jìn)入系統(tǒng)。堆棧的檢查管理命令流程圖如圖3所示。

　　3.3.2 MMC卡的應(yīng)答信號(hào)格式

　　對(duì)于MMC卡的命令，MMC卡有多種應(yīng)答信號(hào)格式，其應(yīng)答信號(hào)的傳輸也是從高位開(kāi)始，在SPI協(xié)議模式下，有5種應(yīng)答信號(hào)格式：即Rl、R2、R3、Busy和Rlb。

　　接收到每個(gè)命令字后，MMC卡都會(huì)發(fā)送一個(gè)格式為R1的應(yīng)答信號(hào)(除卡狀態(tài)查詢(xún)命令字CMDl3外)，此應(yīng)答信號(hào)為1字節(jié)，最高位為O，其他位為錯(cuò)誤標(biāo)志，如表3所示。

　　Busy格式應(yīng)答信號(hào)的長(zhǎng)度為多個(gè)字節(jié)，各位均為0時(shí)，表示卡正忙，如果存在非O位，表明MMC卡已經(jīng)準(zhǔn)備好接受下一個(gè)命令。

　　R2格式應(yīng)答信號(hào)的長(zhǎng)度為2個(gè)字節(jié)，用于答復(fù)卡狀態(tài)查詢(xún)命令字CMDl3，首字節(jié)同R1，第2字節(jié)表示的是錯(cuò)誤類(lèi)型，如表4所示。

　　R3格式應(yīng)答信號(hào)的長(zhǎng)度為5個(gè)字節(jié)，用于答復(fù)卡內(nèi)OCR寄存器，R3的首字節(jié)同Rl，其余4字節(jié)為OCR寄存器的內(nèi)容。

　　Rlb格式應(yīng)答信號(hào)包括兩部分，Rl格式部分和Busy格式可選附加部分。

　　4 MMC與嵌入式系統(tǒng)的接口

　　4.1 硬件設(shè)計(jì)

　　圖2是MMC卡與嵌入式系統(tǒng)芯片的硬件接口，圖中可增加一個(gè)片外存儲(chǔ)器作緩存芯片，采用Port C的硬件SPI接口對(duì)MMC卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作，對(duì)MMC卡的文件系統(tǒng)進(jìn)行讀寫(xiě)操作可參閱參考文獻(xiàn)[4]。

　　4.2 軟件設(shè)計(jì)

　　訪問(wèn)MMC卡存儲(chǔ)單元前，需要設(shè)定訪問(wèn)塊的長(zhǎng)度，默認(rèn)的長(zhǎng)度為512個(gè)字節(jié)，系統(tǒng)通過(guò)寫(xiě)緩存儲(chǔ)芯片，當(dāng)寫(xiě)入的數(shù)據(jù)達(dá)到512個(gè)字節(jié)后即轉(zhuǎn)入主存MMC，故讀寫(xiě)長(zhǎng)度不再設(shè)定。MMC格式化為FAT文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)后，數(shù)據(jù)以文件的形式保存，這樣方便上位機(jī)對(duì)主存MMC的讀取。

　　MMC接口的部分軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

　　SPI模式支持單數(shù)據(jù)塊和多數(shù)據(jù)塊的寫(xiě)命令，以下的程序?yàn)閱螖?shù)據(jù)塊寫(xiě)子程序的部分代碼：

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　和CompactFlash一樣，MMC也是把存儲(chǔ)單元和控制器一同做到了卡上，智能的控制器使得MMC保證了較好的兼容性和靈活性。實(shí)際上所有的MMC是向上兼容的，而且能保證與以后出現(xiàn)的新規(guī)格的產(chǎn)品兼容。Sanyo和Fujitsu聯(lián)合推出了Secure MMC，這種新的MMC采用了Hitachi的SuperHRISC微處理器內(nèi)核，能高速執(zhí)行與安全相關(guān)的操作(如加密解密等)，具有很強(qiáng)的版權(quán)保護(hù)功能，Secure MMC也是向上兼容的，可以插入MMC插槽中使用，這種卡配合應(yīng)用Hitachi、Sanyo和Fujitsu開(kāi)發(fā)的UDAC-MB(universal distribution with accesscontrol-media base)版權(quán)保護(hù)技術(shù)，可以用于提供基于移動(dòng)電話的音樂(lè)發(fā)行服務(wù)，且具有低功耗、攜帶方便、性能價(jià)格比高等特點(diǎn)。