浅谈dsPIC33F系列DSC的SD存储卡接口设计

引 言

SD卡是Secure Digital Card卡的简称，直译成汉语就是“安全数字卡”，是由日本松下公司、东芝公司和美国SANDISK公司共同开发研制的全新的存储卡产品。SD存储卡是一个完全开放的标准（系统），多用于MP3、数码摄像机、数码相机、电子图书、AV器材等等，尤其是被广泛应用在超薄数码相机上。SD卡在外形上同MultiMedia Card卡保持一致，大小尺寸比MMC卡略厚，容量也大很多。并且兼容MMC卡接口规范。不由让人们怀疑SD卡是MMC升级版。另外，SD卡为9引脚，目的是通过把传输方式由串行变成并行，以提高传输速度。它的读写速度比MMC卡要快一些，同时，安全性也更高。SD卡最大的特点就是通过加密功能，可以保证数据资料的安全保密。它还具备版权保护技术，所采用的版权保护技术是DVD中使用的CPRM技术（可刻录介质内容保护）。

SD卡身材小巧，一般消费者在购买之前不会有太多了解，因此从外观上辨别有些困难，下面为大家介绍一下市场上常见的SanDisk牌SD卡真假的辨别方法： 首先是看存储卡本身， sandisk正品储存卡都在正面贴有激光变彩标签，不同角度都会产生激光色彩变化。其次是国内代理的行货正品卡，均采用了与上面相类似的塑料封装的包装形式，但是右下的“5年保证”的字样和日文均改为了图形表明的5年质保。另外，还可以从SD卡底部是否有缺口来进行最简单识别，由于正品 SanDisk 牌 SD 卡背面产地上方的编号是惟一的，并可通过 800 电话查询真伪，但据说这一查询系统目前尚未做好。

Microchip公司的DSPIC33F系列通用DSC（数字信号控制器），是在16位MCU架构基础之上添加了DSP引擎，从而具有数字信号处理功能的微控制器产品。该系列DSC集成了DCI（数据转换器）接口，尤其适用于语音和音频的应用。

本文首先简要介绍SD卡的相关规范，之后利用dsPIC33FJ64GP706通用DSC设计了SD卡接口电路，最后通过SPI模式实现了对SD卡的基本操作。

1 SD卡相关规范简介

SD联盟在2000年联合发布了SD卡规范1.O版本，包括3个部分：物理层规范，文件系统规范以及安全规范。SD卡规范V1.0采用FAT的文件系统，因此最大存储容量可以达到2 GB。2006年，SD卡规范V2.0发布。新规范根据容量定义了两种卡，即标准容量SD卡和大容量SD卡。前者和1.O版本保持兼容，后者由于采用了FAT32文件系统，存储容量突破了2 GB的限制。新规范定义的最大容量为32 GB。但是由于成本的原因，标准容量SD卡仍然是市场的主流产品。在以微控制器为核心的嵌入式系统中，主要使用SD卡的SPI。微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。微控制器诞生于20世纪70年代中期，经过20多年的发展，其成本越来越低，而性能越来越强大，这使其应用已经无处不在，遍及各个领域。例如电机控制、条码阅读器／扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化和白色家电（洗衣机、微波炉）等。

1.1 概 述

SD存储卡在2.7～3.6 V电压下正常工作，工作频率为0～25MHz。图1是普通SD卡的外形和引脚排列。在SPI模式时，第8和第9脚不使用。表1列出了各引脚在SPI模式时的定义和功能描述。

图中的WP是一个机械滑片，通过滑动到不同的位置来对SD卡进行写保护。

SD卡内部有6个和接口相关的寄存器：OCR、CID、CSD、RCA、DSR和SCR。它们只能通过各自对应的指令来访问。

1.2 SPI协议

系统上电之后，如果主机在将CS线声明为低电平的同时发送复位指令（CMDO），则SPI模式启用。SD卡在SPI模式下按字节进行通信，每一个指令和数据块都由数个字节组成并与CS信号对齐（也就是长度为8个时钟周期的整数倍）。

主机和SD卡之间是通过指令与响应来实现交互的。

图2给出了SPI模式下基本的指令与响应的时序。

图中一个方格代表一个字节，H为逻辑全“1”，L为逻辑全“O”，X代表未知，Z为高阻态。NCS、NEC和NCR都是包含N个8时钟周期，具体N的取值范围在SD卡规范中给出了详细的说明。

　　SD卡所有的指令，长度都是6字节。表2列出了指令格式。

在有效接收到主机发来的指令之后，SD卡将会把对应的响应数据段放在总线上，主机根据响应的内容判断SD卡的状态。所有的响应都是MSB优先传输。SD卡有4种类型的响应格式，分别为R1、R1b、R2、R3。

除了SEND_STATUS和READ_OCR指令外，其他指令的响应都是格式R1。格式R1的长度为1字节，并且最高位总是0。其余每位均是错误指示，在指令接收过程中发生了什么样的错误，对应的错误位就会是“1”。R1b和R1具有相同的格式，它将伴随一个附加的busy信号。busy信号的长度可以是任意个字节。全零表示卡处在“忙”的状态。格式R2的长度为2字节，它是指令SEND_STATUS的响应。它的高字节和R1相同，低字节同样作为状态指示。

在SD卡规范中详细描述了每条指令的格式内容及作用，并给出了各条指令所对应的响应。对于每种响应的信息也有详细的说明，具体信息参阅参考文献。

2 SD卡接口电路设计

16位的dsPIC33F系列DSC具有高达40 MIPS的指令周期，继承了Microchip公司之前8位和16位MCU产品的优点，并保持着对以往低成本开发系统的兼容性。dsPIC33FJ64GP706是其中一款64引脚的通用产品，拥有高达64 KB的Flash程序存储器和16 KB的数据存储器。

图3所示为dsPIC33FJ64GP706与SD卡座的接口电路。为了防止在无卡接入或卡驱动器呈高阻态时总线悬空，在每根信号线上要接一个上拉电阻，根据SD卡规范（见参考文献，第6章），电阻的阻值可以取10～90kΩ。卡座的CD引脚是SD卡检测信号引脚，当有卡插入时，该引脚对地短路。WP是写保护信号引脚，在卡插入且没有写保护时，该引脚对地短路；如果SD卡写保护或没有卡插入，该引脚通过上拉电阻接到电源正极。

3 SD卡接口的实现

3.1 选择SD卡的SPI模式并初始化SD卡

在上电之后，主机开始发送时钟信号，此时的时钟频率不能超过400 kHz。主机要连续发送至少74个时钟周期的“1”才能使SD卡准备好通信，然后选择SPI模式。SD卡进入SPI模式之后，就可以接收来自主机的操作指令了。这时候主机发送SEND_OP_COND指令，激活卡的初始化过程。在得到正确的响应之后，主机再发送SEND_CSD指令读取CSD寄存器的内容。

3.2 指令和响应交互过程的软件实现

typSD_CMD是自定义的结构类型，包含指令索引、CRC和响应格式。最后一个字节数据用来说明该指令有无后续数据块，例如READ_SINGLE_BLOCK（单数据块读指令），它需要SD卡发送一个数据块的数据，因此其后的数据为“1”。对于指令索引，是把开始位和传输位与6位索引值包含在一起的数据。例如G0_IDLE_STATE的索引值是二进制“000000”，加上开始位“O”和传输位“1”，成为“01000000”，即“Ox40”，READ_SINGLE_BLOCK的索引值是“010001”，加上开始位和传输位，成为“01010001”即"0x51”。

定义发送指令函数为SendSDCmd（），返回值为从总线上读取的响应数据。（具体函数略——编者注）函数的第一个参数是指令列表数组中相应指令元素的序号，函数会根据它的值在指令表中查到对应的信息，第二个参数是指令的附加内容。函数中CMD_PACKET是按指令格式（见表2）定义的联合类型，程序通过查表的方式将指令的内容装载到该类型定义的变量中，并通过函数Write_sd（）发送出去。write_sd（）的作用是把一个字节的数据放到SPI2模块的burfer里，完成一个字节的发送。函数ReadSd（）用来读取SPI2接收的一个字节数据。

以上程序按照图2所示时序执行，来实现一次指令和响应数据的交互。当某条指令有后续数据时，按照规范中的时序发送或者读取数据。

3.3 读写操作的实现

READ_SINGLE_BLOCK是单数据块读指令，在接收到有效的读指令后SD卡将会送出一个响应。紧接着是一个带16位CRC校验后缀的数据块，数据块的长度要在之前由SET_BLOCKEN（CMDl6）指令定义，一般为512字节，正好一个扇区的大小。该操作的通信过程如图4所示。

WRITE_SINGLE_BLOCK是单数据写操作指令，在接收到主机传来的数据后，SD卡会发送一个值为0x5的数据响应，之后进入busy状态。该操作的通信过程如图5所示。

按照以上通信过程编写程序，单数据块读和写的程序流程如图6所示。

4 结果验证

将容量为1 GB的SD卡插入SD读卡器，再将读卡器插入PC机的USB接口中，此时系统出现“可移动磁盘（H：）”根目录。打开winhex软件，点击“工具”下拉菜单中的“打开磁盘”，选择“物理磁盘”中的“RMl：Ceneric STORAGE DEVICE（O.9G，USB）”，单击“确定”按钮，得到该SD卡第一个物理扇区的数据。该SD卡在偏移量从446开始的16个字节有数据“00 03 3D 00 06 OD ED DB F9 00 00 OO 07 5F 1E 00”，该扇区结束的两个字节为“55AA”，其余部分数据均为“00”。

将SD卡取出，插入本设计电路的SD卡座中，用示波器连接D0、CLK和DI线，接通电源，测量SPI总线上的波形。

本设计利用dsPIC33FJ64GP706的SPI接口实现了对SD存储卡的操作，可以把SD卡和dsPIC33F系列DSC两方面的优点集中到一个嵌入式系统中，有较高的利用价值。