SD卡原理及内部结构.docx

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SD卡原理及内部结构

SD卡原理及内部结构

1、简介：

SD卡（SecureDigitalMemoryCard）是一种为满足安全性、容量、性能和使用环境等各方面的需求而设计的一种新型存储器件，SD卡允许在两种模式下工作，即SD模式和SPI模式，本系统采用SPI模式。

本小节仅简要介绍在SPI模式下，STM32处理器如何读写SD卡，如果读者如希望详细了解SD卡，可以参考相关资料。

SD卡内部结构及引脚如下图所示：

SD卡内部图.JPG

2、SD卡管脚图：

SD卡图.JPG

3、SPI模式下SD各管脚名称为：

sd卡：

SPI模式下SD各管脚名称为.JPG

注：

一般SD有两种模式：

SD模式和SPI模式，管脚定义如下：

（A）、SDMODE1、CD/DATA3  2、CMD3、VSS14、VDD5、CLK6、VSS27、DATA08、DATA19、DATA2

（B）、SPIMODE1、CS        2、DI3、VSS4、VDD5、SCLK6、VSS27、DO       8、RSV9、RSV

SD卡主要引脚和功能为：

CLK：

时钟信号，每个时钟周期传输一个命令或数据位，频率可在0～25MHz之间变化，SD卡的总线管理器可以不受任何限制的自由产生0～25MHz的频率；

CMD：

双向命令和回复线，命令是一次主机到从卡操作的开始，命令可以是从主机到单卡寻址，也可以是到所有卡；回复是对之前命令的回答，回复可以来自单卡或所有卡；

DAT0～3：

数据线，数据可以从卡传向主机也可以从主机传向卡。

SD卡以命令形式来控制SD卡的读写等操作。

可根据命令对多块或单块进行读写操作。

在SPI模式下其命令由6个字节构成，其中高位在前。

SD卡命令的格式如表1所示，其中相关参数可以查阅SD卡规范。

4、MicroSD卡管脚图：

MicroSD卡管脚图.JPG

5、MicroSD卡管脚名称：

MicroSD卡管脚名称.JPG

SD卡与MicroSD卡仅仅是封装上的不同，MicroSD卡更小，大小上和一个SIM卡差不多，但是协议与SD卡相同。

一般我们用单片机操作SD卡时，都不需要对FAT分区表信息做处理，原因如下：

1）、操作FAT分区表要增加程序代码量、增加SRAM的消耗，对于便携应用来说代码大小和占用SRAM的多少至关重要。

2）、即使我们对FAT分区表不做任何了解，实际上我们一样可以向SD卡上写入数据，这就表明使用FAT对我们做数据存储应用来说如同鸡肋。

3）、耗费大量经历和时间去了解FAT分区表对于我们做嵌入式软件开发的人来说有些得不偿失。

4）、SD卡支持两种操作模式，SD模式和SPI模式，SPI模式做SD数据操作时根本不需要知道FAT，这时候SD卡对于我们来说实际上就是个大的、快速的、方便的、容量可变的外部存储器。

基于以上原因，一般情况下对SD卡的操作只需要了解SPI通讯就可以了，而现在大部分单片机都有SPI接口，那么操作SD卡易如反掌。

以下是做SD卡试验时使用的电路图：

SD卡试验时使用的电路图.JPG

SD_CS/连接到单片机的片选SD管脚，只有单片机设置SD_CS/为低电平时才可以操作SD卡。

MOSI连接单片机SPI总线的MOSI管脚（SPI数据输入），单片机从这个管脚读取SD卡内的数据。

MISO连接单片机SPI总线的MISO管脚（SPI数据输出）、单片机通过这个管脚向SD卡内写入数据。

SCK连接单片机SPI总线的SCK（SPI时钟）

SD管脚实际上在SD卡内部连接到了GND，当SD插座上没插入SD卡时，单片机从这个管脚能读到高电平（前提是使用单片机内部上拉输入，或者外部增加一个上拉电阻），一旦插入SD卡，这个管脚就变成低电平，这个功能用来检测是否插入SD卡。

RSV1和RSV2是保留功能管脚，不需要操作。

MicroSD卡的连接和SD卡大同小异，只是MicroSD卡比SD卡少一个GND管脚，所以不能使用上面做的这种插入卡的检测，实际上现在很多SD卡/MicroSD卡插座都有插入检测管脚，当然，一分钱一分货，价格上当然也要贵一些

顺便提一下，普通SD卡插座最多5块钱。

SPI命令格式

Byte1

Byte2-5

Byte6

7

6

5     0

31    0

7

0

0

1

Command

CommandArgument

CRC

1

以下是一个简单的测试SD卡读写的程序，程序是基于Atmega128单片机编写的，对于Atmega的其他单片机仅需要做管脚改动就可以使用，其他单片机更改要更大。

sd.h

//******************************************************************

//SPI各线所占用的端口

#defineSD_SS         PB6                         

#defineSD_SCK        PB1

#defineSD_MOSI       PB2

#defineSD_MISO       PB3

//******************************************************************

#defineSD_DDR        DDRB

#defineSD_PORT       PORTB

#defineSD_PIN        PINB

#defineSD_SS_H       SD_PORT|=（1<

#defineSDSS_L       SD_PORT&=~（1<

#defineSD_SCK_H      SD_PORT|=（1<

#defineSD_SCK_L      SD_PORT&=~（1<

#defineSD_MOSI_H     SD_PORT|=（1<

#defineSD_MOSI_L     SD_PORT&=~（1<

#defineSD_MISO_IN    （SD_PIN&（1<

//-------------------------------------------------------------

//错误号

//-------------------------------------------------------------

#defineINIT_CMD0_ERROR        0xFF

#defineINIT_CMD1_ERROR        0xFE

#defineWRITE_BLOCK_ERROR      0xFD

#defineREAD_BLOCK_ERROR       0xFC

#defineTRUE                   0x01

//-------------------------------------------------------------

//MMC/SD命令（命令号从40开始，只列出基本命令，并没有都使用）

//-------------------------------------------------------------

#defineSD_RESET               0x40+0                  

#defineSD_INIT               0x40+1

#defineSD_READ_CSD           0x40+9

#defineSD_READ_CID           0x40+10

#defineSD_STOP_TRANSMISSION   0x40+12

#defineSD_SEND_STATUS           0x40+13

#defineSD_SET_BLOCKLEN       0x40+16

#defineSD_READ_BLOCK           0x40+17

#defineSD_READ_MULTI_BLOCK   0x40+18

#defineSD_WRITE_BLOCK           0x40+24

#defineSD_WRITE_MULTI_BLOCK   0x40+25

//片选关（MMC/SD-CardInvalid）

#defineSD_Disable（）  SD_SS_H

//片选开（MMC/SD-CardActive）

#defineSD_Enable（）   SD_SS_L

SD_TEST.C

//****************************************************************************************/

//ICC-AVRapplicationbuilder:

03-5-208:

39:

11

//Target:

M128

//Crystal:

3.6864Mhz

#include

#include

#include'sd.h'

voiduart0_init（void）;

voidputchar（unsignedcharcontent）;

voidputstr（unsignedchar*s）;

voidSD_Port_Init（void）;

unsignedcharSD_Init（void）;

unsignedcharSD_write_sector（unsignedlongaddr,unsignedchar*Buffer）;

unsignedcharSD_read_sector（unsignedlongaddr,unsignedchar*Buffer）;

unsignedcharSPI_TransferByte（unsignedcharbyte）;

unsignedcharWrite_Command_SD（unsignedcharcmd,unsignedlongaddress）;

unsignedlongSD_find（void）;

//**************************************************************************

//串口调试程序

//**************************************************************************

voiduart0_init（void）

{

UCSR0B=0x00;//disablewhilesettingbaudrate

UCSR0A=0x00;

UCSR0C=0x06;//00000110UART0设置为异步模式、无奇偶校验、1位停止位、8位数据位

UBRR0L=0x17;//setbaudratelo

UBRR0H=0x00;//setbaudratehi设置UART0口通信速率9600

UCSR0B=0x18;

}

voidputchar（unsignedcharcontent）

{

while（!

（UCSR0A&（1<

UDR0=content;   /*   发送数据   */

}

voidputstr（unsignedchar*s）

{

while（*s）

{

putchar（*s）;

s++;

}

}

//****************************************************************************

//端口初始化

voidSD_Port_Init（void）

//****************************************************************************

{

SD_PORT       |=（1<<

SD_DDR        |=（1<<<

SD_DDR        &=~（1<

}

//****************************************************************************

//初始化MMC/SD卡为SPI模式

unsignedcharSD_Init（void）

//****************************************************************************

{

unsignedcharretry,temp;

unsignedchari;

SPCR=0x53;                          //设定SPI为128分频，慢速进行初始化

SPSR=0x00;

for（i=0;i<0x0f;i++）          

{

SPI_TransferByte（0xff）;//延迟74个以上的时钟

}

SD_Enable（）;                   //开片选

SPI_TransferByte（SD_RESET）;   //发送复位命令

SPI_TransferByte（0x00）;

SPI_TransferByte（0x00）;

SPI_TransferByte（0x00）;

SPI_TransferByte（0x00）;

SPI_TransferByte（0x95）;          

SPI_TransferByte（0xff）;

SPI_TransferByte（0xff）;

retry=0;

do{

temp="Write"_Command_SD（SD_INIT,0）;     //发送初始化命令

retry++;

if（retry==100）                            //重试100次

{

SD_Disable（）;                    //关片选

return（INIT_CMD1_ERROR）;     //如果重试100次失败返回错误号

}

}while（temp!

=0）;                            

MSD_Disable（）;                                 //关片选

SPCR=0x50;                                       //设置SPI为2分频。

进行高速读写

SPSR=0x01;

return（TRUE）;                                 //返回成功

}

//****************************************************************************

//发送命令给MMC/SD卡

//Return:

返回MMC/SD卡对命令响应的第2字节，作为命令成功判断

unsignedcharWrite_Command_SD（unsignedcharcmd,unsignedlongaddress）

//****************************************************************************

{

unsignedchartmp;

unsignedcharretry="0";

SD_Disable（）;

SPI_TransferByte（0xFF）;

SD_Enable（）;

SPI_TransferByte（cmd）;                    //将32位地址进行移位作为地址字节                                    

SPI_TransferByte（address>>24）;

SPI_TransferByte（address>>16）;

SPI_TransferByte（address>>8）;

SPI_TransferByte（address）;

SPI_TransferByte（0xFF）;

SPI_TransferByte（0xFF）;

do{

tmp=SPI_TransferByte（0xFF）;   //发送8个时钟接受最后一个字节                                                                  

retry++;

}while（（tmp==0xff）&&（retry<8））;

return（tmp）;

}

//****************************************************************************

//写一个扇区（512Byte）toMMC/SD-Card

//如果写完成返回TRUE

unsignedcharSD_write_sector（unsignedlongaddr,unsignedchar*Buffer）

//****************************************************************************

{

unsignedchartemp;

unsignedinti;

SPI_TransferByte（0xFF）;                                   //延迟8个时钟            

SD_Enable（）;                                           //开片选

temp=Write_Command_MMC（MMC_WRITE_BLOCK,addr<<9）;       //发送写扇区命令

if（temp!

=0x00）

{

SD_Disable（）;

return（temp）;

}

SPI_TransferByte（0xFF）;

SPI_TransferByte（0xFF）;

SPI_TransferByte（0xFE）;

for（i=0;i<512;i++）

{

SPI_TransferByte（*Buffer++）;//发送512字节数据

}

//CRC-Byte

SPI_TransferByte（0xFF）;//DummyCRC

SPI_TransferByte（0xFF）;//CRCCode

temp=SPI_TransferByte（0xFF）;  //读SD卡运行响应

if（（temp&0x1F）!

=0x05）            //如果最后4位为0101，为操作成功。

否则为操作失败。

{

SD_Disable（）;

return（WRITE_BLOCK_ERROR）;//返回错误

}

while（SPI_TransferByte（0xFF）!

=0xFF）;

SD_Disable（）;

return（TRUE）;                           //返回成功

}

//****************************************************************************

//读512字节fromMMC/SD-Card

//如果成功返回TRUE

unsignedcharSD_read_sector（unsignedlongaddr,unsignedchar*Buffer）

//****************************************************************************

{

unsignedchartemp;

unsignedinti;

unsignedchardata;

SPI_TransferByte（0xff）;                                                

MMC_Enable（）;

temp=Write_Command_SD（SD_READ_BLOCK,addr<<9）;//发送读扇区命令

if（temp!

=0x00）

{

SD_Disable（）;

return（READ_BLOCK_ERROR）;               //返回错误号               

}

while（SPI_TransferByte（0xff）!

=0xfe）;

for（i=0;i<512;i++）

{

data=SPI_TransferByte（0xff）;       //存数据

*Buffer++=data;

}

SPI_TransferByte（0xff）;                       //读CRC码

SPI_TransferByte（0xff）;                       //读CRC码

SD_Disable（）;

return（TRUE）;                                   //返回成功

}

//**************************************************************************

//查找数据开始标志（预设DATASTART）根据实际需要删改

//**************************************************************************

unsignedlongSD_find（void）                      

{    

unsignedlongtmp="400";

unsignedchardata[512];

do

{

SD_read_sector（tmp,data）;                   //从0扇区开始查找

tmp++;                                       //查找DATASTA