SD卡原理与内部结构.docx
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SD卡原理与内部结构
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DATASTART
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