SD卡引脚定义 电路 基本原理

SD卡在现在的日常生活与工作中使用非常广泛，时下已经成为最为通用的数据存储卡。在诸如MP3、数码相机等设备上也都采

用SD卡作为其存储设备。SD卡之所以得到如此广泛的使用，是因为它价格低廉、存储容量大、使用方便、通用性与安全性强等优点。既然它有着这么多优点，那么如果将它加入到单片机应用开发系统中来，将使系统变得更加出色。这就要求对SD卡的硬件与读写时序进行研究。对于SD卡的硬件结构，在官方的文档上有很详细的介绍，如SD卡内的存储器结构、存储单元组织方式等内容。要实现对它的读写，最核心的是它的时序，笔者在经过了实际的测试后，使用51单片机成功实现了对SD卡的扇区读写，并对其读写速度进行了评估。下面先来讲解SD卡的读写时序。

（1） SD卡的引脚定义：

SD卡引脚功能详述：

引脚 编号 名称 SD模式 SPI模式 类型 描述 名称 类型 描述 1 CD/DAT3 IO或PP 卡检测/ 数据线3 #CS I 片选 2 CMD PP 命令/ 回应 DI I 数据输入 3 VSS1 S 电源地 VSS S 电源地 4 VDD S 电源 VDD S 电源 5 CLK I 时钟 SCLK I 时钟 6 VSS2 S 电源地 VSS2 S 电源地 7 DAT0 IO或PP 数据线0 DO O或PP 数据输出 8 DAT1 IO或PP 数据线1 RSV 9 DAT2 IO或PP 数据线2 RSV 注：S：电源供给 I：输入 O：采用推拉驱动的输出 PP：采用推拉驱动的输入输出

SD卡SPI模式下与单片机的连接图：

SD卡支持两种总线方式：SD方式与SPI方式。其中SD方式采用6线制，使用CLK、CMD、DAT0~DAT3进行数据通信。而SPI方式采用4线制，使用CS、CLK、DataIn、DataOut进行数据通信。SD方式时的数据传输速度与SPI方式要快，采用单片机对SD卡进行读写时一般都采用SPI模式。采用不同的初始化方式可以使SD卡工作于SD方式或SPI方式。这里只对其SPI方式进行介绍。

（2） SPI方式驱动SD卡的方法

SD卡的SPI通信接口使其可以通过SPI通道进行数据读写。从应用的角度来看，采用SPI接口的好处在于，很多单片机内部自带SPI控制器，不光给开发上带来方便，同时也见降低了开发成本。然而，它也有不好的地方，如失去了SD卡的性能优势，要解决这一问题，就要用SD方式，因为它提供更大的总线数据带宽。SPI接口的选用是在上电初始时向其写入第一个命令时进行的。以下介绍SD卡的驱动方法，只实现简单的扇区读写。 1） 命令与数据传输 1. 命令传输

SD卡自身有完备的命令系统，以实现各项操作。命令格式如下：

命令的传输过程采用发送应答机制，过程如下：

每一个命令都有自己命令应答格式。在SPI模式中定义了三种应答格式，如下表所示：

字节 位 含义

1 7 开始位，始终为0 6 参数错误 5 地址错误 4 擦除序列错误 3 CRC错误 2 非法命令 1 擦除复位 0 闲置状态 字节 位 含义 1 7 开始位，始终为0 6 参数错误 5 地址错误 4 擦除序列错误 3 CRC错误 2 非法命令 1 擦除复位 0 闲置状态 2 7 溢出，CSD覆盖 6 擦除参数 5 写保护非法 4 卡ECC失败 3 卡控制器错误 2 未知错误 1 写保护擦除跳过，锁／解锁失败 0 锁卡 字节 位 含义 1 7 开始位，始终为0

6 参数错误 5 地址错误 4 擦除序列错误 3 CRC错误 2 非法命令 1 擦除复位 0 闲置状态 2～5 全部 操作条件寄存器，高位在前

写命令的例程：

//----------------------------------------------------------------------------------------------- 向SD卡中写入命令，并返回回应的第二个字节

//----------------------------------------------------------------------------------------------- unsigned char Write_Command_SD(unsigned char *CMD) {

unsigned char tmp; unsigned char retry=0; unsigned char i;

//禁止SD卡片选

SPI_CS=1;

//发送8个时钟信号 Write_Byte_SD(0xFF); //使能SD卡片选 SPI_CS=0;

//向SD卡发送6字节命令

for (i=0;i<0x06;i++) {

Write_Byte_SD(*CMD++); }

//获得16位的回应

Read_Byte_SD(); //read the first byte,ignore it. do

{ //读取后8位

tmp = Read_Byte_SD(); retry++; }

while((tmp==0xff)&&(retry<100)); return(tmp); }

2） 初始化

SD卡的初始化是非常重要的，只有进行了正确的初始化，才能进行后面的各项操作。在初始化过程中，SPI的时钟不能太快，否则会造初始化失败。在初始化成功后，应尽量提高SPI的速率。在刚开始要先发送至少74个时钟信号，这是必须的。在很多读者的实验中，很多是因为疏忽了这一点，而使初始化不成功。随后就是写入两个命令CMD0与CMD1，使SD卡进入SPI模式 初始化时序图：

初始化例程：

//-------------------------------------------------------------------------- 初始化SD卡到SPI模式

//-------------------------------------------------------------------------- unsigned char SD_Init() {

unsigned char retry,temp; unsigned char i;

unsigned char CMD[] = {0x40,0x00,0x00,0x00,0x00,0x95};

SD_Port_Init(); //初始化驱动端口

Init_Flag=1; //将初始化标志置1

for (i=0;i<0x0f;i++)

{

Write_Byte_SD(0xff); //发送至少74个时钟信号 }

//向SD卡发送CMD0 retry=0; do

{ //为了能够成功写入CMD0,在这里写200次 temp=Write_Command_SD(CMD); retry++; if(retry==200) { //超过200次

return(INIT_CMD0_ERROR);//CMD0 Error! } }

while(temp!=1); //回应01h，停止写入

//发送CMD1到SD卡 CMD[0] = 0x41; //CMD1 CMD[5] = 0xFF; retry=0; do

{ //为了能成功写入CMD1,写100次 temp=Write_Command_SD(CMD); retry++; if(retry==100) { //超过100次

return(INIT_CMD1_ERROR);//CMD1 Error! } }

while(temp!=0);//回应00h停止写入

Init_Flag=0; //初始化完毕，初始化标志清零

SPI_CS=1; //片选无效 return(0); //初始化成功 }

3） 读取CID

CID寄存器存储了SD卡的标识码。每一个卡都有唯一的标识码。 CID寄存器长度为128位。它的寄存器结构如下：

名称 域 数据宽度 CID划分 生产标识号 MID 8 [127:120] OEM/应用标识 OID 16 [119:104] 产品名称 PNM 40 [103:] 产品版本 PRV 8 [63:56] 产品序列号 PSN 32 [55:24] 保留 － 4 [23:20] 生产日期 MDT 12 [19:8] CRC7校验合 CRC 7 [7:1] 未使用，始终为1 － 1 [0:0] 它的读取时序如下： 与此时序相对应的程序如下： //------------------------------------------------------------------------------------ 读取SD卡的CID寄存器 16字节 成功返回0 //------------------------------------------------------------------------------------- unsigned char Read_CID_SD(unsigned char *Buffer) { //读取CID寄存器的命令 unsigned char CMD[] = {0x4A,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF}; unsigned char temp; temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16); //read 16 bytes return(temp); }

4）读取CSD

CSD（Card-Specific Data）寄存器提供了读写SD卡的一些信息。其中的一些单元可以由用户重新编程。具体的CSD结构如下：

名称 域 数据单元CSD划分 宽度 类型 CSD结构 CSD_STRUCTURE 2 R [127:126] 保留 - 6 R [125:120] 数据读取时间1 TAAC 8 R [119:112] 数据在CLK周期内读取时间2（NSAC*100） NSAC 8 R [111:104] 最大数据传输率 TRAN_SPEED 8 R [103:96] 卡命令集合 CCC 12 R [95:84] 最大读取数据块长 READ_BL_LEN 4 R [83:80] 允许读的部分块 READ_BL_PARTIAL 1 R [79:79] 非线写块 WRITE_BLK_MISALIGN 1 R [78:78] 非线读块 READ_BLK_MISALIGN 1 R [77:77] DSR条件 DSR_IMP 1 R [76:76] 保留 - 2 R [75:74] 设备容量 C_SIZE 12 R [73:62] 最大读取电流@VDD min VDD_R_CURR_MIN 3 R [61:59] 最大读取电流@VDD max VDD_R_CURR_MAX 3 R [58:56] 最大写电流@VDD min VDD_W_CURR_MIN 3 R [55:53] 最大写电流@VDD max VDD_W_CURR_MAX 3 R [52:50] 设备容量乘子 C_SIZE_MULT 3 R [49:47] 擦除单块使能 ERASE_BLK_EN 1 R [46:46] 擦除扇区大小 SECTOR_SIZE 7 R [45:39] 写保护群大小 WP_GRP_SIZE 7 R [38:32] 写保护群使能 WP_GRP_ENABLE 1 R [31:31]

保留 - 2 R [30:29] 写速度因子 R2W_FACTOR 3 R [28:26] 最大写数据块长度 WRITE_BL_LEN 4 R [25:22] 允许写的部分部 WRITE_BL_PARTIAL 1 R [21:21] 保留 - 5 R [20:16] 文件系统群 FILE_OFRMAT_GRP 1 R/W [15:15] 拷贝标志 COPY 1 R/W [14:14] 永久写保护 PERM_WRITE_PROTECT 1 R/W [13:13] 暂时写保护 TMP_WRITE_PROTECT 1 R/W [12:12] 文件系统 FIL_FORMAT 2 R/W [11:10] 保留 - 2 R/W [9:8] CRC CRC 7 R/W [7:1] 未用，始终为1 - 1 [0:0]

读CSD的时序：

相应的程序例程如下：

//----------------------------------------------------------------------------------------- 读SD卡的CSD寄存器 共16字节 返回0说明读取成功

//----------------------------------------------------------------------------------------- unsigned char Read_CSD_SD(unsigned char *Buffer) {

//读取CSD寄存器的命令

unsigned char CMD[] = {0x49,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF}; unsigned char temp;

temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16); //read 16 bytes return(temp); }

4） 读取SD卡信息

综合上面对CID与CSD寄存器的读取，可以知道很多关于SD卡的信息，以下程序可以获取这些信息。如下： //----------------------------------------------------------------------------------------------- //返回

// SD卡的容量，单位为M

// sector count and multiplier MB are in u08 == C_SIZE / (2^(9-C_SIZE_MULT)) // SD卡的名称

//----------------------------------------------------------------------------------------------- void SD_get_volume_info() {

unsigned char i;

unsigned char c_temp[5];

VOLUME_INFO_TYPE SD_volume_Info,*vinf; vinf=&SD_volume_Info; //Init the pointoer; /读取CSD寄存器

Read_CSD_SD(sectorBuffer.dat); //获取总扇区数

vinf->sector_count = sectorBuffer.dat[6] & 0x03; vinf->sector_count <<= 8;

vinf->sector_count += sectorBuffer.dat[7]; vinf->sector_count <<= 2;

vinf->sector_count += (sectorBuffer.dat[8] & 0xc0) >> 6; // 获取multiplier

vinf->sector_multiply = sectorBuffer.dat[9] & 0x03; vinf->sector_multiply <<= 1;

vinf->sector_multiply += (sectorBuffer.dat[10] & 0x80) >> 7; //获取SD卡的容量

vinf->size_MB = vinf->sector_count >> (9-vinf->sector_multiply); // get the name of the card Read_CID_SD(sectorBuffer.dat); vinf->name[0] = sectorBuffer.dat[3]; vinf->name[1] = sectorBuffer.dat[4]; vinf->name[2] = sectorBuffer.dat[5]; vinf->name[3] = sectorBuffer.dat[6]; vinf->name[4] = sectorBuffer.dat[7]; vinf->name[5] = 0x00; //end flag

}

以上程序将信息装载到一个结构体中，这个结构体的定义如下： typedef struct SD_VOLUME_INFO { //SD/SD Card info unsigned int size_MB; unsigned char sector_multiply; unsigned int sector_count; unsigned char name[6]; } VOLUME_INFO_TYPE;

5） 扇区读

扇区读是对SD卡驱动的目的之一。SD卡的每一个扇区中有512个字节，一次扇区读操作将把某一个扇区内的512个字节全部读出。过程很简单，先写入命令，在得到相应的回应后，开始数据读取。 扇区读的时序：

扇区读的程序例程：

unsigned char SD_Read_Sector(unsigned long sector,unsigned char *buffer) {

unsigned char retry; //命令16

unsigned char CMD[] = {0x51,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF}; unsigned char temp;

//地址变换 由逻辑块地址转为字节地址 sector = sector << 9; //sector = sector * 512

CMD[1] = ((sector & 0xFF000000) >>24 );

CMD[2] = ((sector & 0x00FF0000) >>16 ); CMD[3] = ((sector & 0x0000FF00) >>8 );

//将命令16写入SD卡

retry=0; do

{ //为了保证写入命令 一共写100次 temp=Write_Command_MMC(CMD); retry++;

if(retry==100) {

return(READ_BLOCK_ERROR); //block write Error! } }

while(temp!=0);

//Read Start Byte form MMC/SD-Card (FEh/Start Byte)

//Now data is ready,you can read it out. while (Read_Byte_MMC() != 0xfe); readPos=0;

SD_get_data(512,buffer) ; //512字节被读出到buffer中 return 0; }

其中SD_get_data函数如下：

//---------------------------------------------------------------------------- 获取数据到buffer中

//---------------------------------------------------------------------------- void SD_get_data(unsigned int Bytes,unsigned char *buffer) {

unsigned int j; for (j=0;j*buffer++ = Read_Byte_SD(); }

6） 扇区写

扇区写是SD卡驱动的另一目的。每次扇区写操作将向SD卡的某个扇区中写入512个字节。过程与扇区读相似，只是数据的方向相反与写入命令不同而已。 扇区写的时序：

扇区写的程序例程：

//-------------------------------------------------------------------------------------------- 写512个字节到SD卡的某一个扇区中去 返回0说明写入成功

//-------------------------------------------------------------------------------------------- unsigned char SD_write_sector(unsigned long addr,unsigned char *Buffer) {

unsigned char tmp,retry; unsigned int i; //命令24

unsigned char CMD[] = {0x58,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF}; addr = addr << 9; //addr = addr * 512

CMD[1] = ((addr & 0xFF000000) >>24 ); CMD[2] = ((addr & 0x00FF0000) >>16 ); CMD[3] = ((addr & 0x0000FF00) >>8 );

//写命令24到SD卡中去

retry=0; do

{ //为了可靠写入，写100次 tmp=Write_Command_SD(CMD); retry++; if(retry==100) {

return(tmp); //send commamd Error! } }

while(tmp!=0);

//在写之前先产生100个时钟信号

for (i=0;i<100;i++) {

Read_Byte_SD(); }

//写入开始字节

Write_Byte_MMC(0xFE);

//现在可以写入512个字节 for (i=0;i<512;i++) {

Write_Byte_MMC(*Buffer++); }

//CRC-Byte

Write_Byte_MMC(0xFF); //Dummy CRC Write_Byte_MMC(0xFF); //CRC Code

tmp=Read_Byte_MMC(); // read response

if((tmp & 0x1F)!=0x05) // 写入的512个字节是未被接受 {

SPI_CS=1;

return(WRITE_BLOCK_ERROR); //Error! }

//等到SD卡不忙为止

//因为数据被接受后，SD卡在向储存阵列中编程数据 while (Read_Byte_MMC()!=0xff){};

//禁止SD卡 SPI_CS=1;

return(0);//写入成功 }

此上内容在笔者的实验中都已调试通过。单片机采用STCLE单片机（SD卡的初始化电压为2.0V~3.6V，操作电压为3.1V~3.5V，因此不能用5V单片机，或进行分压处理），工作于22.1184M的时钟下，由于所采用的单片机中没硬件SPI，采用软件模拟SPI，因此读写速率都较慢。如果要半SD卡应用于音频、视频等要求高速场合，则需要选用有硬件SPI的控制器，或使用SD模式，当然这就需要各位读者对SD模式加以研究，有了SPI模式的基础，SD模式应该不是什么难事。