MCF51QE128在SD卡接口设计中的应用

    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

    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。

    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S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”。

    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MCF51 QE128的第2个SPI口，硬件连接如图2所示。

    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：

    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：

    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：

    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。

    SD卡初始化代码如下：

    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。

    读单块数据的函数代码如下：

    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。

    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。

    写单块数据的函数代码如下：

    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。