深入理解SD卡基础原理以及内部结构的总结（转）

关于SD卡的事情，在这里做一下总结吧！


1、 简介：
SD卡（Secure Digital Memory Card）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）、SD MODE 1、CD/DATA3   2、CMD 3、VSS1 4、VDD 5、CLK 6、VSS2 7、DATA0 8、DATA1 9、DATA2
（B）、SPI MODE 1、CS             2、DI 3、VSS 4、VDD 5、SCLK 6、VSS2 7、DO           8、RSV 9、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

Byte 1			Byte2-5	Byte 6
7	6	5        0	31       0	7	0
0	1	Command	Command Argument	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
#define SD_SS          PB6                         
#define SD_SCK         PB1
#define SD_MOSI        PB2
#define SD_MISO        PB3
//******************************************************************

#define SD_DDR         DDRB
#define SD_PORT        PORTB
#define SD_PIN         PINB

#define SD_SS_H        SD_PORT |= (1<
#define SDSS_L        SD_PORT &= ~(1<
#define SD_SCK_H       SD_PORT |= (1<
#define SD_SCK_L       SD_PORT &= ~(1<
#define SD_MOSI_H      SD_PORT |= (1<
#define SD_MOSI_L      SD_PORT &= ~(1<

#define SD_MISO_IN     (SD_PIN&(1<
//-------------------------------------------------------------
// 错误号
//-------------------------------------------------------------
#define INIT_CMD0_ERROR         0xFF
#define INIT_CMD1_ERROR         0xFE
#define WRITE_BLOCK_ERROR       0xFD
#define READ_BLOCK_ERROR        0xFC
#define TRUE                    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)
//-------------------------------------------------------------
#define SD_RESET                0x40 + 0                  
#define SD_INIT                0x40 + 1
#define SD_READ_CSD            0x40 + 9
#define SD_READ_CID            0x40 + 10
#define SD_STOP_TRANSMISSION    0x40 + 12
#define SD_SEND_STATUS            0x40 + 13
#define SD_SET_BLOCKLEN        0x40 + 16
#define SD_READ_BLOCK            0x40 + 17
#define SD_READ_MULTI_BLOCK    0x40 + 18
#define SD_WRITE_BLOCK            0x40 + 24
#define SD_WRITE_MULTI_BLOCK    0x40 + 25

//片选关(MMC/SD-Card Invalid)
#define SD_Disable()   SD_SS_H
//片选开 (MMC/SD-Card Active)
#define SD_Enable()    SD_SS_L

SD_TEST.C
//****************************************************************************************/
//ICC-AVR application builder : 03-5-20 8:39:11
// Target : M128
// Crystal: 3.6864Mhz

#include
#include
#include 'sd.h'
void uart0_init(void);
void putchar(unsigned char content);
void putstr(unsigned char *s);
void SD_Port_Init(void);
unsigned char SD_Init(void);
unsigned char SD_write_sector(unsigned long addr,unsigned char *Buffer);
unsigned char SD_read_sector(unsigned long addr,unsigned char *Buffer);
unsigned char SPI_TransferByte(unsigned char byte);
unsigned char Write_Command_SD(unsigned char cmd,unsigned long address);
unsigned long SD_find(void);
//**************************************************************************
// 串口调试程序
//**************************************************************************
void uart0_init(void)
{
UCSR0B = 0x00; //disable while setting baud rate
UCSR0A = 0x00;
UCSR0C = 0x06; // 00000110 UART0设置为异步模式、无奇偶校验、1位停止位、8位数据位
UBRR0L = 0x17; //set baud rate lo
UBRR0H = 0x00; //set baud rate hi 设置UART0口通信速率9600
UCSR0B = 0x18;
}
void putchar(unsigned char content)
{

while(!(UCSR0A & (1 << UDRE0))); /*    判断上次发送有没有完成    */
UDR0 = content;    /*    发送数据    */

}
void putstr(unsigned char *s)
{

while(*s)
{
putchar(*s);
s++;
}

}

//****************************************************************************
// 端口初始化
void SD_Port_Init(void)
//****************************************************************************
{
SD_PORT        |= (1<<
SD_DDR         |= (1<<<
SD_DDR         &= ~(1<
}

//****************************************************************************
// 初始化 MMC/SD 卡为SPI模式
unsigned char SD_Init(void)
//****************************************************************************
{
unsigned char retry,temp;
unsigned char i;


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
unsigned char Write_Command_SD(unsigned char cmd,unsigned long address)
//****************************************************************************
{
unsigned char tmp;
unsigned char retry="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) to MMC/SD-Card
//如果写完成返回TRUE
unsigned char SD_write_sector(unsigned long addr,unsigned char *Buffer)
//****************************************************************************
{
unsigned char temp;
unsigned int i;

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); //Dummy CRC
SPI_TransferByte(0xFF); //CRC Code

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 from MMC/SD-Card
//如果成功返回TRUE
unsigned char SD_read_sector(unsigned long addr,unsigned char *Buffer)
//****************************************************************************
{
unsigned char temp;
unsigned int i;
unsigned char data;



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
//**************************************************************************
unsigned long SD_find(void)                      
{    
unsigned long tmp="400";
unsigned char data[512];

do
{
SD_read_sector(tmp,data);                    //从0扇区开始查找
tmp++;                                        //查找DATASTART      

}while(!((data[0]=='D')&&(data[1]=='A')&&(data[2]=='T')&&(data[3]=='A')&&(data[4]=='S')&&(data[5]=='T')&&(data[6]=='A')&&(data[7]=='R')&&(data[8]=='T')));
return tmp;                                    //返回开始标志的下一个扇区
}    
//**************************************************************************
// 发送一个字节
//**************************************************************************
unsigned char SPI_TransferByte(unsigned char byte)
{
SPDR = byte;
while (!(SPSR & 0x80));                               //检测线路是否空闲                      
return SPDR;
}

//**************************************************************************
// 主程序例子
//**************************************************************************
void main(void)
{   
unsigned long temp;
unsigned char data[512];
unsigned char data2[512]={'sssssssssssssssssssssssss'};
unsigned char comm1[]={'\r\nhello world\r\n'};
unsigned char comm2[]={'\r\nSD_INIT OK\r\n'};
uart0_init();
SD_Port_Init();                     //端口初始化
if(SD_Init()== 0x01)
{                                      //SD卡初始化，并读取返回值
putstr(comm2);
}
temp="SD"_find();                      //查找DATASTART数据开始标志，返回下一扇区地址
SD_read_sector(1001,data);             //读取temp地址的512字节数据，512字节数据存入data数组
putstr(data);               
SD_write_sector(temp,data2);         //将data2数组512字节数据写入temp扇区
}

测试程序很简单，仅仅是做了一下读写SD卡的测试。

关于SD卡的几点注意事项。
1、无论我们愿意不愿意，SD卡每次读写数据的最小单位是1个扇区，即512个字节。
2、SD卡与单片机连接的 SPI总线不能太长，要尽量短。这样的好处是速度可以更快，也不容易出错。
3、虽然我们并不关心FAT文件表，但是我们仍然要关心SD卡的存储结构，如果我们不想使用PC机来读取保存在SD卡上的数据那我们就不用关心SD存储结 构了。但，作为一个大容量的可移动存储设备，不能用PC机来读取是个很大的遗憾，我解决这个遗憾的方法如下：
3-1、因为我不了解FAT复杂的结构，所以我做的程序没法去按照FAT表的各项功能来进行创建文件、删除文件、创建目录等等操作。
3-2、虽然我们的单片机不能创建文件，但是PC机是可以创建文件的啊！所以我使用PC机将SD卡格式化，之后在SD卡上创建一个大文件，比如我的 128M的SD卡上我建立了一个100M的文件。这里需要注意一下，一般使用windows创建文件的功能时是没有办法指定创建文件的大小的，空文件就是 0个字节的长度，而我们是需要一个固定长度的文件的，所以我用VC编写了一个小软件，这个软件可以为我创建一个100M长度的空文件，记住，这点很重要： 一个固定长度的空文件
3-3、虽然我们建立了个文件在SD卡上，可是我们因为不去了解FAT表，所以我们一样不知道这个文件到底位于SD卡的什么地方，不要以为它会在0字节的 地方开始，为了找到这个文件的开始位置，我们可以在建立的那个空文件的开头写上几个字符，比如我程序里面写的“DATASTART”，接下来我们要做的就 是一个扇区一个扇区的去找这个几个特殊的字符，这是个笨方法，但却是最简单直观的方法。这个方法有两个缺点：a、如果文件建立在整个SD卡的后面，那找到 这个文件需要漫长的等待。b、如果碰巧某个文件里面也有我们定义的那个特殊字符串的话，那就乱套了！不过好在我们使用的SD卡一般都是专用的，并不能拿去 做其他应用，比如从公司copy点文件回家之类的，那就能保证这个SD卡上文件的简单性，即只有我们需要的那个文件，其他文件并不存在，而且这个文件肯定 会从SD卡开始的那些扇区中的某一个开始。这样说来的话找到这个字符串也不是那么慢嘛！^_^。不过这里要建议一下，在使用SD卡之前最好用 windows将它完全格式话一下。
3-4、一旦我们找到了我们要写入文件的起始位置（它一般表示为一个扇区号），那我们就可以在这个起始扇区的下一个扇区写入数据了。
4、OK，看起来很简单！有了这种存储方式我们还需要IIC接口的 EEPROM干吗呢？^_^，说句玩笑而已！

引用cortex提供的资料
资料1：点击此处下载 (文件大小:1223K)
资料2：点击此处下载 (文件大小:1268K)
资料3：点击此处下载 (文件大小:538K)