基于嵌入式系統(tǒng)通用SD卡讀寫器的研究

【摘 要】隨著電子技術的不斷發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)越來越多的在控制類、消費類、通訊類等電子產(chǎn)品廣泛應用，嵌入式技術越來越和人們的生活緊密結合。作為嵌入式系統(tǒng)的核心部分，MCU的更新迭代速度也在摩爾定律下逐漸加快。同時SD卡作為嵌入式系統(tǒng)中重要的存儲器件，使用范圍也越發(fā)廣泛。但是針對不同型號的單片機編寫與SD卡的底層驅動是一件必須但卻繁瑣的工作。因此，本文提出通過一種外圍設備，使得嵌入式系統(tǒng)連接SD卡工作時，能實現(xiàn)即插即用，從而省去重復開發(fā)底層驅動的工作。

【關鍵詞】SD卡 嵌入式 數(shù)據(jù)讀取

嵌入式系統(tǒng)技術具有非常廣闊的應用前景，與此同時對于嵌入式環(huán)境的信息處理需要存儲大量的數(shù)據(jù)，配合適當?shù)拇鎯υO備顯得十分的迫切，而利用SD卡進行嵌入式的數(shù)據(jù)儲存已經(jīng)成為一種趨勢。

但是隨著嵌入式領域的快速發(fā)展，每天都會有很多新型的芯片研制出來，但是如果要對每一種芯片都讓它能利用SD卡進行存儲，勢必要對每款芯片單獨開發(fā)其SD讀寫驅動，這實際上是一種資源的浪費和重復工作。

為了解決這個問題，本文提出了一種能集合多種芯片的軟硬件平臺，使得新型芯片不用再去單獨開發(fā)驅動，只要連接該平臺將其作為一個中轉器，就能實現(xiàn)一些主流的功能，比如SD卡的讀寫，USB串口的利用等等。本文的主要工作是在研究SD卡協(xié)議的基礎上，基于該平臺利用SPI接口實現(xiàn)對SD卡的支持。

一、 硬件設計

（一）SD卡電氣特性。SD卡主要包括，9針的電氣接口，8個寄存器，一個SD卡控制芯片和儲存介質。一般標準SD卡容量最高為2G，高速卡的容量一般為2G到32G。 SD工作電壓一般為2.6V-3.3V。 普通模式下時鐘頻率的范圍為0-25MHz，最高的傳輸速率為12.5MB/sec（四數(shù)據(jù)線傳輸模式），高速模式下時鐘頻率范圍為0-50MHz，最高的傳輸速率為25MB/sec。

SD卡有兩個可選的通訊協(xié)議：SD模式和SPI模式。SD模式是SD卡標準的讀寫方式，很多常用單片機沒有集成SD卡控制器接口，同時在SD卡數(shù)據(jù)讀寫時間要求不是很嚴格的情況下，選用SPI模式可以說是一種最佳的解決方案。因為在SPI模式下，通過四條線就可以完成所有的數(shù)據(jù)交換，并且目前常用的單片機都集成有現(xiàn)成的SPI接口電路，雖然采用SPI模式速度沒有優(yōu)勢，但對SD卡進行讀寫操作可大大簡化硬件電路的設計。

（二）SD卡通信模式。本文基于SD卡的SPI通信模式，因此所有的電路設計都是圍繞該協(xié)議進行設計。物理層的SPI是指高速同步串行口。是一種標準的四線同步雙向串行總線。它具有高速的，全雙工，同步的通信的特點，并且在芯片的管腳上只占用四根線，節(jié)約了芯片的管

腳，同時為PCB的布局上節(jié)省空間，提供方便。這種模式通常需要至少4根線，事實上3根也可以，它們是SDI（數(shù)據(jù)輸入），SDO（數(shù)據(jù)輸出），SCLK（時鐘），CS（片選）。

（三）嵌入式系統(tǒng)MCU。在嵌入式硬件設計中，一旦確定了系統(tǒng)功能，首先要做的就是主控芯片的選型。在考慮到滿足性能，價格和功耗的基礎上，同時結合本文的研究對象，所以所選芯片應具備SPI模塊的MCU，二是所選MCU要具有較快的運算速度。因此這里初步選用核心芯片為STM32。

二、系統(tǒng)設計

本文研究初衷是使各種芯片通過該平臺直接對SD卡進行操作，具體方式是通過在上位機編寫程序，通過下載直接將SD驅動下載到該應用平臺中，此后不同的單片機只需通過連接該平臺就可以實現(xiàn)SD卡的讀寫操作。設計原理以及目的如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)原理

對于SD卡的操作主要是應用到平臺的底層接口庫——interface庫，該庫定義了底層的大部分操作，該庫調定義了很多結構，比如GPIO，SPI，IIC等，用戶在編寫應用或是驅動時，可以直接調用。

如：

struct interface_spi_t

{

RESULT （*init）（uint8_t index）；

RESULT （*fini）（uint8_t index）；

RESULT （*config）（uint8_t index， uint16_t kHz， uint8_t cpol， uint8_t cpha，

uint8_t first_bit）；

RESULT （*io）（uint8_t index， uint8_t *out， uint8_t *in， uint16_t bytelen）；

}；

以上為SPI的結構示例，第一行是初始化；第二行是完成；第三行是設置參數(shù)分別是端口號，SPI速率，CPOL，CPHA，從高位開始還是低位開始；第四行是輸入輸出設置，參數(shù)分別為端口號，輸出引腳，輸入引腳，數(shù)據(jù)長度）

在調用接口庫時要先調用DAL層和MAL層，DAL層是驅動抽象層，因此所有的驅動都要先在該層編寫。MAL層是儲存器抽象層，所以例如SD卡，TF卡，DataFlash等，都需要調用該層。通過調用該層實現(xiàn)SD卡與MCU的掛載和通信。

配置好MAL層與SPI接口后。可以正式開始對SD卡的操作。第一步是對SD卡進行初始化。由于SD卡具有多樣性，因為版本不同會有操作上的差異，同時因為有SD，MMC，SDHC等一系列卡，如果操作不當，不僅得不到想要的數(shù)據(jù)回復，很可能會因電壓不適用導致卡不能工作。所以在做SD卡的初始化時，需要同時針對不同類型的卡做必要的判斷，根據(jù)不同卡的類型再做初始化操作。

在發(fā)送CMD0初始化SD卡時，一定要先對SD卡上電74個時鐘，這個部分很重要。它的原理可以是因為SD卡的工作電壓是2.7V-3.3V，但并不是SD卡接通電源就能有3.3V的電壓，在發(fā)送命令之前SD卡一直處于不工作狀態(tài)電壓低于2.7V，所以74個時鐘周期的上電，才能保持SD卡能達到其要求的工作電壓。

三、 測試結果與分析

通過利用帶有SD插槽的測試板與平臺相連接，通過邏輯分析儀展示的波形圖，可以將器件連接到上位機后逐步按流程測試SD初始化和讀寫步驟。實驗硬件連接如圖1。

圖1 測試硬件連接圖

命令CMD0測試

按照流程，首先應該對發(fā)送CMD0命令做測試，正確的應答應該為1.VC中的數(shù)據(jù)回復波形圖如圖4.4

圖2 CMD0數(shù)據(jù)波形圖

在圖2中，第一行為使能，可以看到已經(jīng)拉低，第二行為時鐘，第三行為MOSI，可以看到發(fā)給SD卡的CMD為0x40，argument為0，CRC為0x95，后面的高電平為一個字節(jié)的dummy values.第四行為得到的回復，忽略第一個字節(jié)后讀出數(shù)據(jù)為0001.正確應答。

命令CMD8測試

得到CMD0正確應答后，要檢測電壓兼容性來判斷是V1還是V2版本，應此發(fā)送CMD8.VC中返回數(shù)據(jù)如圖3，波形圖如圖8.

圖3 CMD8數(shù)據(jù)返回值

可以看到程序執(zhí)行語句所停處可以看出判斷該卡位SD的V2版本卡。其中resp_r1為發(fā)送CMD8的應答，可以看到為正確的應答1，同時發(fā)送CMD8后從數(shù)組resp_r3to7的16位數(shù)據(jù)也為正確應答0x01AA。因此可以得出結論，該卡為SD第二版本卡，同時使用現(xiàn)在的電壓范圍。

由圖4波形圖可以看出，MOSI的發(fā)送命令為0x48， argument為0，CRC為0x87，由MISO的波形可以看出，得到正確的回復1.

圖4 CMD8數(shù)據(jù)波形圖

命令ACMD41測試

再判斷為V2版本的SD卡后，要發(fā)送ACMD41命令來確定現(xiàn)在電壓范圍。在發(fā)送ACMD41之前發(fā)先發(fā)送CMD55.發(fā)送CMD55的波形圖如圖5.

圖5 CMD55數(shù)據(jù)波形圖

由該波形圖可以看出，MISO得到的數(shù)據(jù)為1，應答時正確的。此后的ACMD41的應答應該為0。

經(jīng)過測試和分析已經(jīng)可以通過該平臺實現(xiàn)SD卡的初始化和讀寫功能。但因為實驗環(huán)境的限制，該平臺目前之支持幾種MCU。但按目前的測試結果，該平臺應當可以用于現(xiàn)有的大部分的MCU。

四、結束語

本文提出的新型的利用USB轉接線的SD卡的設計可以很好的解決嵌入式設備在多種MCU環(huán)境中的數(shù)據(jù)存儲問題，極大的簡化了開發(fā)的成本，提高了工作效率。本文提出的該方法可以做為需要大容量存儲的嵌入式開發(fā)環(huán)境提供有價值的參考。

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