1  SD卡标准

　　SD卡标准是SD卡协会针对可移动存储设备设计专利并授权的一种标准，主要用于制定卡的外形尺寸、电气接口和通信协议。

1.1  SD卡引脚功能

图1  SD卡外形

　　SD卡的外形如图1所示，引脚功能如表1所列。SD卡的引脚具有双重功能，既可工作在SD模式，也可工作在SPI模式。不同的模式下，引脚的功能不同。

表1  SD卡引脚功能

　　SD模式多用于对SD卡读写速度要求较高的场合，SPI模式则是以牺牲读写速度换取更好的硬件接口兼容性。由于SPI协议是目前广泛流行的通信协议，大多数高性能单片机都配备了SPI硬件接口，硬件连接相对简单，因此，在对SD卡读写速度要求不高的情况下，采用SPI模式无疑是一个不错的选择。

1.2  SPI模式

　　SPI模式是一种简单的命令响应协议，主控制器发出命令后，SD卡针对不同的命令返回对应的响应。

　　SD卡的命令列表都是以CMD和ACMD开头，分别指通用命令和专用命令，后面接命令的编号。例如，CMD17就是一个通用命令，用来读单块数据。

　　在SPI模式中，命令都是以如下的6字节形式发送的：

　　每帧命令都以“01”开头，然后是6位命令号和4字节的参数（高位在前，低位在后），最后是7位CRC校验和1位停止位“1”。

表2  R1响应格式

　　SD卡的每条命令都会返回对应的响应类型。在SPI模式下，共有3种响应类型：R1、R2和R3，分别占1、2和3个字节。这里仅列出了R1响应的格式，如表2所列。当出现表中所描述的状态时，相应的位置1。R2和R3的第1个字节格式与R1完全一样，详细内容请参考SD卡标准。

2  硬件设计

　　本设计选用Freescale公司的32位低功耗微控制器MCF51QE128，采用SPI模式实现与SD卡的接口。

　　由于MCF51QE128是一款低功耗的微控制器，工作电压的典型值为3.6 V，与SD卡的工作电压兼容，因而可以直接与SD卡连接，无需电平转换电路。这里选用的是MCF51QE128的第2个SPI口，硬件连接如图2所示。

图2  SD卡与MCF51QE128的硬件连接

3  软件实现

　　软件部分主要实现MCF51QE128的初始化、底层SPI通信，以及SD卡的通用写命令、初始化和单块数据的读写等功能。

3.1  MCF51QE128的初始化

　　在与SD卡通信之前，首先需要配置MCF51QE128，并初始化SPI端口。代码如下：

//定义片选信号
#define select_card() PTDD_PTDD3 = 0
#define unselect_card()  PTDD_PTDD3 = 1
void MCU_Init(void) {
　　SOPT1 = 0x23;//关看门狗
　　SCGC1 = 0x00;//禁用其他外设的总线时钟
　　SCGC2 = 0x02;//开SPI2模块的总线时钟
　　PTDDD = 0x08;//SPI片选信号由软件设置
}
void SPI_Init (void) {
　　SPI2BR = 0x44;//设初始SPI时钟为400 kHz
　　SPI2C1 = 0xD0;//SPI 中断允许，系统中断允许，主模式选择
　　SPI2C2 = 0x00;
}

3.2  底层SPI通信

　　底层的SPI通信是实现最终读写的关键。由于MCF51QE128自带SPI硬件接口，因此只需要读写SPI数据寄存器的值。这里自定了byte、word和dword三种数据类型，分别对应于8位、16位和32位数据。代码如下：

byte SPI_ReadByte(void) {//SPI读字节函数
　　while (!SPI2S_SPTEF);//等待，直到发送寄存器为空
　　SPI2D = 0xff;//接收1字节数据
　　while (!SPI2S_SPRF);
　　return SPI2D;
}
byte SPI_WriteByte(byte val) {//SPI写字节函数
　　while ((!SPI2S_SPTEF)&&(!PTDD_PTDD3));//等待，直到发送寄存器为空
　　SPI2D = val;//发送数据
}

3.3  SD卡的通用写命令

　　由于SD卡的命令具有统一的格式，因此可以用一个通用的写命令函数来实现所有命令的发送。另外，考虑到多数命令的响应类型都是R1，这里的通用写命令函数所接收的响应类型默认为R1。函数代码如下：

byte SD_SendCommand_R1(byte cmd, dword arg) {
　　byte i,r1;
　　SPI_WriteByte(0xff);//等待几个时钟周期
　　SPI_WriteByte((byte)(cmd|0x40));//写入命令号
　　SPI_WriteByte((byte)(arg>>24));//4字节命令参数
　　SPI_WriteByte((byte)(arg>>16));
　　SPI_WriteByte((byte)(arg>>8));
　　SPI_WriteByte((byte)(arg));
　　SPI_WriteByte((byte)(cmd == 0x00? 0x95 : 0xff));//CRC校验和
　　for(i = 0; i < 10; ++i) {//接收响应
　　　　r1 = SPI_ReadByte();
　　　　if(r1 != 0xff) break;
　　}
　　return r1;
}

3.4  SD卡的初始化

　　SD卡的初始化要遵循一定的步骤。首先将SPI时钟降低到400 kHz，等待至少74个时钟周期。接着拉低片选信号，并发送CMD0命令，对SD卡进行复位并使其进入SPI模式，这里需要正确的CRC校验，校验字节为0x95。若SD卡进入空闲状态（即接收响应为0x01时），则发送CMD1命令，激活卡的初始化过程，此时响应为0x00。然后设置块的长度，一般为512字节。最后将片选拉高并将SPI时钟设为最大值，以保证最大的读写速度。SD卡初始化过程如图3所示。

图3  SD卡初始化过程

　　SD卡初始化代码如下：

byte SD_Init(void) {
　　word i;
　　byte response;
　　for(i=0;i<10;i++)SPI_ReadByte();//等待至少74个时钟周期
　　select_card();//片选拉低
　　for(i = 0; ; i++) {
　　　　response = SD_SendCommand_R1(0x00,0);//发送CMD0
　　　　if(response == 0x01) break;//进入空闲状态
　　　　if(i == 0x1ff) {
　　　　　　unselect_card();
　　　　　　return 0;
　　　　}
　　}
　　for(i = 0; ; i++) {
　　　　response = SD_SendCommand_R1(0x01,0);//发送CMD1，激活卡的初始化
　　　　if(response == 0x00) break;
　　　　if(i == 0x1ff) {
　　　　　　unselect_card();
　　　　　　return 0;
　　　　}
　　} 
　　if(SD_SendCommand_R1(0x10, 512)) {//设置块长度为512字节
　　　　unselect_card();
　　　　return 0;
　　}
　　unselect_card();//片选拉高SPI2BR = 0x40;选择最高SPI时钟
　　return 1;
}

3.5  SD卡单块数据读写

　　SPI模式支持单块和多块数据的读写操作，可通过发送相应的命令来实现。读单块数据的操作过程如图4所示。拉低片选后，首先由主控制器MCF51QE128发送读单块数据命令CMD17，然后等待SD卡的响应。当收到数据块开始标志0xfe后，开始从SD卡读取512字节的数据，最后读取2字节的CRC校验位。

图4  读单块数据操作

　　读单块数据的函数代码如下：

byte SD_ReadSingleBlock(byte data[], dword sector) {
　　word i;
　　select_card();
　　if(SD_SendCommand_R1(0x11, sector)) {//发送读单块数据命令CMD17
　　　　unselect_card();
　　　　return 0;
　　}
　　while(SPI_ReadByte() != 0xfe) ;//等待，直到收到数据块开始标志0xfe
　　for(i = 0; i < 512; i++)  data[i] = SPI_ReadByte();//读512字节数据块
　　SPI_ReadByte();//读16位CRC校验
　　SPI_ReadByte();
　　unselect_card();
　　SPI_ReadByte();
　　return 1;
}

　　写单块数据的操作过程与读操作类似，如图5所示。拉低片选后同样由主控制器MCF51QE128发送写单块数据命令CMD24，SD卡正确响应后发送数据块开始标志0xfe，接着发送512字节数据块和2字节CRC校验。

图5  写单块数据操作

　　写入数据后，SD卡会发送1字节的数据响应来反馈数据写入的情况，其格式如图6所示。当数据正确写入SD卡后，数据响应为0x05。最后读数据总线，写数据忙时等待，直到总线为高电平。

图6  数据响应格式

　　写单块数据的函数代码如下：

byte SD_WriteSingleBlock(byte data[], dword sector) {
　　word i;
　　byte response;
　　select_card();
　　if(SD_SendCommand_R1(0x18, sector)) {//发送写单块数据命令CMD24
　　　　unselect_card();
　　　　return 0;
　　}
　　SPI_WriteByte(0xfe);//发送数据块开始标志0xfe
　　for(i = 0; i < 512; i++)SPI_WriteByte(data[i]);//写512字节数据块
　　SPI_WriteByte(0xff); //写16位CRC校验
　　SPI_WriteByte(0xff);
　　for(i = 0; ; i++) {//读数据响应，判断数据是否//正确写入
　　　　response = SPI_ReadByte();
　　　　if((response & 0x0f) == 0x05) break;
　　　　if(i == 0x1ff) {
　　　　　　unselect_card();
　　　　　　return 0;
　　　　}
　　}
　　while(SPI_ReadByte() != 0xff) ;//写数据忙时，等待
　　SPI_ReadByte();
　　unselect_card();
　　return 1;
}

结语

　　SD卡是目前广泛应用的可擦除的大容量存储设备，其接口设计可作为各类嵌入式系统中存储单元的一般解决方案。本文结合SD卡标准的相关技术，基于MCF51QE128微控制器完成了硬件接口和底层通信软件的设计。在此基础上，可进一步构建文件系统，实现对存储数据更有效的管理。