ABB AO820 3BSE008546R1
引 言
SD存储卡(Secure Digital Memory Card)由SD联盟(松下、东芝及美国SanDisk公司)于1999年8月共同开发研制，是一种基于半导体快闪存储器的新一代存储设备，被广泛地使用在便携式装置上，例如数码相机、PDA和多媒体播放器等。大小犹如一张***的SD存储卡，重量只有2g，却拥有高存储容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。
SD卡支持SD和SPI两种传输模式，主机系统可以选择其中任意一种模式。SD模式允许4线的高速数据传输。SPI模式使用通用的SPI接口。这种模式相对于SD模式的不足之处是丧失了速度，但是却有着接口简单易于实现的优点。SD卡的SPI模式使得SD卡可以和市场上大部分微控制器进行通信。
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，***后通过SPI模式实现了对SD卡的基本操作。本设计可以使SD存储卡成为类似嵌入式系统产品的数据存储器。
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***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***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***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。模式进行通信，这使得标准容量的SD卡更为合适。本设计适用于2GB以下任意容量的SD卡。
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。
普通SD卡的外形和引脚排列
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。OCR、CID、CSD和SCR携带SD卡的规范信息，RCA和DSR作为配置寄存器装载了SD卡的配置参数。
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。
各引脚在SPI模式时的定义和功能描述
点击看原图
SPI模式下基本的指令与响应的时序
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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。
指令格式
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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***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。当接收到了READ_OCR指令时，SD卡将会产生格式R3的响应，该响应的长度为5字节。***高字节和R1相同，其余的4字节将包含SD卡的OCR寄存器信息。
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。该芯片集成了2个通用SPI接口，本设计使用SPI2模块来建立和SD存储卡的通信。
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。
dsPIC33FJ64GP706与SD卡座的接口电路
1769-PB4
2711-M3A18L1
1746-IB32
1746-N18
1746-OW16
1747-L551
1746-NO4V
1756-M24/A
VAP016-A
1747-L532
RCM470LY
SYS68K/CPU-40B/16-01
1746-A4
1746-P1
XFR600-4
140CRP93100
CE15DN3
MVME13364-W5001B01C
SDCS-FIS-31
1746-P3
1746-NI8
TC-RPCXX1
6ES7972-0BB12-0XA0
1769-OB32
1769-OF8V
1769-IF8
1769-IQ32
1769-OB16
140DAI75300
M16-JY-24D
1746-NT4
DO810
SD832
SS832
505-6660
140XBE10000
140ACI04000
140CRP93200
140NOE77101
1746-IM16
140CPU43412A
EXTER T70
DFI-110-340F
PS000电源
140CPS11420
140CRA93200
140CRP93200
SW926C
56170
56194
A20B-2000-0170/06B
1746-P1
140XBP01600
9200SH CPU
MC-4/11/10/400
1746-OB32
PO916JP
HD22010-3
140ACI04000
57***04C
6ES7315-2AG10-0AB0
A06B-6130-H002
1793-IE4S
505-6660
DI810
DO810
RPBA-01
TU811V1 3BSE013231R1
TU836V1
1747-L532
1747-SDN
2711-B6C10L1
FSP400-24
PCI-GPIB
DCM10E
FBM04
140***I03000
6DR5210-0EN00-0AA0
07KT94
51402645-200
PC832-001-T
140NOE77101
503956-62
1761-L16BWA
HMCPJ250W5L
1746-P2
1746-P4
UGRMEM-01SNQ12
FBM41
6ES7972-0BB12-0XA0
FR-A024-0.2KP
140ACO13000
140CPS11420C
140CPU67160
140CRA93200
140CRP93200
140XBP00600
140XBP01600
140XTS00200
140ACI03000
140DDI84100
140DDO84300
140NOE77101
490NOR00003
490RI000400
520422000
600544000
600558000
A***BII003
MAO185100
MAO186100
MAO329001
TSXETG100
TSXETW3GEXT1
UNYXCAUSB033
XBTGT5230
6ES7416-2XN05-0AB0
1784-KTX
1784-KTX
IC697ALG230
FC-280S*** 100 SCCM
PM825
DAI01
WDP5-318.051-00
140CRA93100
1756-IF8
PMC-2/11/05/000/00/00/01/00/00
1746-NI8
1747-L551B
1747-L552
1747-L553
1756-ENBT
1756-PA75
SR489
1746-A10
1746-IV16
1746-OW16
1746-P2
1746-P4
1747-L551
140ACI04000
1179BX12CR14VS364
TYP:0608830109
Z4LC-C28
TC-IAH161
CPU XVME-653
ENT-10515-R
1746-NO4I
1746-NT4
545-1105
PM450CLA120
1756-A10
1756-IF6CIS
1756-N2
1756-PA72
1756-TBCH
1756-TBNH
1756-IB16I
1786-RPA
SR1008B62-4SN
140ACI04000
1756-IB16
1756-IF8
3HNE00313-1（含10米线及插头）
KSD1-16
KSD1-48
1336-SN-SP16A
1770-XYC
1746-P2
2711-M3A18L1
140CPS11420
140ACI03000
1794-OW8
2711P-RDT10C
1756-CNB
1756-ENBT
1756-IM16I
1756-L61
PC-DIO-96
A06B-6114-H206
IC693MDL655
1771-A3B
1771-IAD
1771-OW16
ATR-NO:00104692 1FK6100-8AZ91-1ZZ9-Z
6ES7322-1BL00-0AA0
1746-IB32
1746-P2
1029D
PC-A984-145
1761-L16BWA
1784-PKTX
GPIB-USB-HS
6GT2001-0AA00
6GT2002-0AB00
DB-2620A
140AMM09000
140DDO84300
1757-SRM
IC697BEM733
6FX2001-5QS12
1756-IB16
1756-IF8
1756-N2
1756-OB16D
1756-OF8
1756-PA72
1756-TBCH
1756-TBNH
1794-IE8
1756-A7
1756-ENBT
TK-PRS021
13103AQD07
140CPS11420
1746-NT8
1756-CNB
1757-SRM
6AR1301-0DD10-0AA0
6AR1302-0AD00-0AA0
TSXCAY21
1756-L62
3700A
F25
140CPU67160
3G5A2-OC221-E
6SE7016-1TA51-Z
1746-NO4V
SC902-001-01
1747-L542
P0904HA
140ERT85410
DFP11A
51304754-150
1747-L552
6ES7322-1BL00-0AA0
45C922
57C554
1747-L542
140ERT85410
INNPM22
CP30B
CP40B
CP60
110XCA20300
110XCA28201
140ACI03000
140CPS12420
140CRA93200
140DDI84100
140DDO84300
TWDLCAA40DRF
1769-IQ32
XVME674
6GK7443-5FX02-0XEO
1746-NO4V
1747-L551
140XTS00200
DIMA3-ES-16
1756-A13
1756-L62
1769-ECR
1769-L35E
1769-PA4/A
SST-PFB-CLX
SST-SR4-CLX
MVI69-PDPMV1
140CPU65150
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1784-PCIC
1756-CNBR/D
3A99158G01
140XBP01000
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TSXBLZL01
GJR5252100***61
1769-ECR
1769-OF4CI
1747-SN
RFT9739D4
1756-OF4-A
EJA310A EAS4A_22DC/NF10-150KPA(A)
BOU8 A413150
FPF8050HRUJ-001
SYSTEM X3850 X5
1770-XYC
1747-L552
1746-OW16
FBM242
2711-K9A1
1746-OW16
1747-L542
PCD4.B90
1606-XL240DR
1756-IF8
1756-L62
1756-PA72
1756-TBCH
1X00416H01
22C-D088A103
22C-D088A1O3