基于C8051F020的SD卡主控制器設(shè)計(jì),SD card controller

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1 引言
飛機(jī)飛行狀況監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集儀．用于采集飛機(jī)試飛時(shí)的各種飛行數(shù)據(jù)，要求大量的存儲容量。在飛機(jī)回到地面后，需要方便地將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄓ糜?jì)算機(jī)上，以便作進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理和分析。為了把采集的數(shù)據(jù)從采集系統(tǒng)傳輸?shù)酵ㄓ糜?jì)算機(jī)內(nèi)．在過去，是將數(shù)據(jù)存儲部分設(shè)計(jì)為可分離的一個(gè)存儲板，數(shù)據(jù)存儲板上設(shè)計(jì)有CPU和串口。將數(shù)據(jù)存儲板從數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)上取下來，通過串口與通用計(jì)算機(jī)通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄓ糜?jì)算機(jī)內(nèi)。可以看出。這種方法有幾個(gè)缺點(diǎn)：第一，操作麻煩，每次都要將存儲板從采集系統(tǒng)取下來，然后再裝上；第二，經(jīng)常插拔存儲板降低整個(gè)采集系統(tǒng)的可靠性：第三，讀取數(shù)據(jù)的通用計(jì)算機(jī)需要安裝專用程序。此程序是專門開發(fā)用于通用計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)存儲板之間的串口通信程序，增加了使用復(fù)雜性。SD/MMC卡是一種容量大(最大可達(dá)4GB)、性價(jià)比高、體積小、訪問接口簡單的存儲卡，而且通過USB讀卡器，可以很方便地將卡中文件拷貝到通用計(jì)算機(jī)中。目前，SD卡已大量用于數(shù)碼相機(jī)、MP3、手機(jī)與大容量存儲設(shè)備中。在本次飛行狀況監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集儀的設(shè)計(jì)中，采集數(shù)據(jù)的存儲采用了SD卡。

2 硬件功能原理與設(shè)計(jì)
SD卡的外形和接口如圖1所示。根據(jù)SD卡與主控制器的通信協(xié)議不同，SD卡對外提供兩種訪問模式：SD模式和SPI模式。所用通信模式不同，SD卡引腳的功能也不同，具體引腳功能如表1所示。在具體通信過程中，主機(jī)只能選擇其中一種通信模式。通信模式的選擇對于主控制器來說是透明的，卡會自動(dòng)檢測復(fù)位命令的通信協(xié)議模式，而且通信模式一旦選定，系統(tǒng)在通電情況下不能改變。SD模式下，主控制器使用SD總線訪問SD卡?？赏ǔ５?a target="_blank">單片機(jī)沒有硬件SD總線，盡管可以借助通用口線用軟件仿真，但訪問速度較低，還要大量占用CPU時(shí)間，而單片機(jī)多具有SPI總線，本文就利用SPI總線實(shí)現(xiàn)對SD卡的訪問。下面主要介紹SPI總線方式。
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注：S--電源；I--輸入；O--推挽輸出；PP--推挽I/O。
在SPI總線模式下．CS為主控制器向卡發(fā)送的片選信號，SCLK為主控制器向卡發(fā)送的時(shí)鐘信號。DI(DataIn)為主控制器向卡發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號，DO(DataOut)為卡向主控制器發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號。SD卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，SD卡內(nèi)部除了具有大量存儲單元外。還具有卡接口控制器、寄存器以及SD和SPI兩種模式的對外接口等。外部主控制器訪問卡的外部信號線并不與存儲器單元直接相連，而是通過卡的接口控制器與存儲器單元接口相連。這樣主控制器并不直接訪問存儲器，而是通過卡的接口控制器來訪問存儲器?？▋?nèi)存儲單元的讀，擦，寫由卡接口控制器根據(jù)主控制器的命令自動(dòng)處理完成，而主控制器無須知道卡內(nèi)是如何操作、管理存儲單元的，這將大大減輕主控制器對存儲器操作的負(fù)擔(dān)。SD卡內(nèi)部有6個(gè)信息寄存器，用來設(shè)置和保存操作卡的關(guān)鍵信息，有兩個(gè)狀態(tài)寄存器，用來記錄操作卡的當(dāng)前狀態(tài)。
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采集儀的主控制器采用了C8051F020單片機(jī)。C8051F系列單片機(jī)與8051在指令上完全兼容，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)的8051單片機(jī)，片內(nèi)除了具有8052的全部外設(shè)外．又?jǐn)U展了豐富的外設(shè)，是一種名副其實(shí)的SOC (System On Chip)單片機(jī)。C8051F020能夠滿足數(shù)據(jù)采集功能外，還能很容易地實(shí)現(xiàn)SD卡的訪問。與SD卡系統(tǒng)相關(guān)的特性如下：

• 單片機(jī)內(nèi)部采用流水線結(jié)構(gòu)。指令運(yùn)行速度高．指令運(yùn)行速度比一般的80C51系列單片機(jī)提高了大約10倍． 可達(dá)25MIPS指令運(yùn)行速度，滿足高速操作SD卡的功能要求。
• 具有SPI 硬件接口?？膳cSD卡的SPI 總線很好接口。
• 具有8個(gè)8位I/O端口。除滿足數(shù)據(jù)采集需要外。有足夠的口線用于單片機(jī)與SD卡的連接。而且．這些口線可通過軟件進(jìn)行配置，獲得不同的功能，其中SPI 接口，就是通過配置相關(guān)寄存器而獲得的。
• 具有可擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)。支持22個(gè)中斷源．2個(gè)優(yōu)先級，其中就包括SPI接口產(chǎn)生的中斷。
• 片內(nèi)存儲器包括64KB的Flash、和4KB的XRAM。不需要擴(kuò)展存儲器．就可以滿足文件系統(tǒng)的建立和訪問SD 卡的需要。
• 3.3V的工作電壓，與SD卡工作電壓兼容。
• 時(shí)鐘系統(tǒng)更加完善．可以使用內(nèi)部時(shí)鐘．也可以使用外部時(shí)鐘。通過編程可以切換。
• 可實(shí)現(xiàn)通過JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試。方便系統(tǒng)的開發(fā)。

C8051F系列單片機(jī)的SPI串行接口的主要特點(diǎn)如下：全雙工，三線同步傳輸，即在發(fā)送的同時(shí)也能接受；可以工作在主機(jī)方式或從機(jī)方式；主機(jī)最大數(shù)據(jù)傳輸速率(位/秒)是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的1/2．因而最高可達(dá)10Mb/s；SPI位傳輸速率可通過編程選擇；發(fā)送結(jié)束設(shè)置中斷標(biāo)志．發(fā)送期間不占用CPU時(shí)間;串行時(shí)鐘極性與相位可編程改變；具有寫沖突保護(hù)和總線競爭保護(hù)。
對于C8051F020的SPI系統(tǒng)．首先通過設(shè)置I/O端口功能選擇開關(guān)控制寄存器XBR0、XBR1、XBR2．將I/O端口P0.0、P0.1、P0.2、P0.3配置成SPI功能引腳SCK、MISO、MOSI和NSS。此時(shí)I/0端口P0.0、P0.1、P0.2、P0.3就組合成SPI接口了。而設(shè)置和控制SPI接口性能的特殊功能寄存器有SPI0CFG、SPI0CKR、SPI0CN、SPI0DAT。SPI0CFG是SPI的配置寄存器，用于配置SPI的工作方式。并反映通信過程中的數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。SPI0CN是SPI控制寄存器．用于控制SPI的工作．并反映通信過程中的一些錯(cuò)誤標(biāo)志。SPI0CKR是SPI的時(shí)鐘速率寄存器．用于選擇SCK輸出的頻率。SPI0DAT是SPI的數(shù)據(jù)寄存器，用于發(fā)送和接受SPI數(shù)據(jù)。
主控制器C8051F020與SD卡座的電路連接圖如圖3所示。除了SPI接口的連接外，還有三根控制線，P0.4_SD_INSERT就是I/O端口P0.4，用于檢測SD卡在卡座上是否插好。完全插入時(shí)該引腳為低電平，否則為高電平。P0.5_SD_WP就是I/O端口P0.5，用于檢測SD卡當(dāng)前是否設(shè)置寫保護(hù)．寫保護(hù)時(shí)該引腳為高電平，否則為低電平。P0.6_SD_POWER就是I/O端口P0.6，用于SD卡的供電控制，該引腳輸出低電平時(shí)。給卡供電。否則斷電。這是為了在SD卡進(jìn)入不確定狀態(tài)時(shí)，可以通過對卡重新上電復(fù)位而無需拔出卡。
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3 軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)思想是，為了程序的可移植性和易用性。將程序分為三個(gè)層次。第一個(gè)層次是硬件抽象層。第二層是實(shí)現(xiàn)訪問SD卡的命令層，第三層是應(yīng)用層，提供給用戶或文件系統(tǒng)的接口函數(shù)。
硬件抽象層包括訪問SD卡的硬件環(huán)境配置、SPI接口實(shí)現(xiàn)通訊的基本函數(shù)以及SPI中斷的處理。硬件環(huán)境配置包括硬件初始化、以及內(nèi)存變量初始化等。如將C8051F020的I/O端口配置為SPI接口的相關(guān)設(shè)置、C8051F020的SPI接口性能的設(shè)置、SD卡的上電與斷開、SD卡插入是否到位檢測、SD卡內(nèi)部寄存器特定參數(shù)設(shè)置等等。又如C8051F020的SPI接口性能的設(shè)置,包括主/從工作方式設(shè)置、SPI通訊頻率設(shè)置等等,這些內(nèi)容都與硬件有關(guān)。SPI接口實(shí)現(xiàn)通訊的基本函數(shù)，包括主控制器向SD卡發(fā)送一字節(jié)和從SD卡讀取一字節(jié)的基本函數(shù)，這是所有SPI通訊的基礎(chǔ)。SPI中斷處理是SPI接口產(chǎn)生中斷時(shí)．中斷服務(wù)程序被自動(dòng)調(diào)用，在中斷服務(wù)程序中，讀取SPI控制寄存器。這里存放著產(chǎn)生中斷的各種狀態(tài)標(biāo)志，根據(jù)不同的狀態(tài)標(biāo)志，調(diào)用不同的函數(shù)處理。
命令層，就是調(diào)用硬件抽象層的基本發(fā)送接收字節(jié)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)SD卡所有SPI協(xié)議規(guī)定的命令．完成對SD卡的訪問。根據(jù)SD卡協(xié)議，訪問SD卡的不同功能，由不同的命令實(shí)現(xiàn)。這些命令分成0—9個(gè)不同的類別．每種類別包括幾個(gè)具體的命令，對于SPI協(xié)議，每個(gè)命令都由主機(jī)主動(dòng)發(fā)送。高位在前低位在后，SD卡收到命令后．根據(jù)不同的命令做出不同的響應(yīng)。主機(jī)發(fā)送的命令長度總是6個(gè)字節(jié)．命令的格式如表2所示。Command表示命令號，占用6位，Parameter表示命令參數(shù)，長度為4字節(jié)，不同的命令對應(yīng)不同的命令參數(shù)值。SD卡的響應(yīng)有4種格式，分別為R1、R1B、R2和R3格式。主機(jī)發(fā)送命令并讀取響應(yīng)形成一個(gè)完整的命令實(shí)現(xiàn)過程。

表2 SPI模式命令格式 聲明：本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點(diǎn)僅代表作者本人，不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習(xí)之用，如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問題，請聯(lián)系本站處理。 舉報(bào)投訴 收藏 人收藏 掃一掃，分享給好友 復(fù)制鏈接分享 加入交流群 掃碼添加小助手 加入工程師交流群 評論 發(fā)布評論請先 登錄 相關(guān)推薦 熱點(diǎn)推薦 SD NAND、TF卡、SD卡的應(yīng)用領(lǐng)域大揭秘 在如今這個(gè)數(shù)據(jù)爆炸的時(shí)代，各類存儲設(shè)備猶如繁星般閃耀，而SD NAND、TF卡和SD卡更是其中的佼佼者。它們看似相似，實(shí)則各有千秋，在不同的領(lǐng)域和場景中發(fā)揮著獨(dú)特的作用。今天，就讓我們 發(fā)表于 11-30 15:16 ?417次閱讀 解鎖SD NAND、TF卡、SD卡的應(yīng)用密碼 在科技飛速發(fā)展的今天，數(shù)據(jù)存儲的需求滲透到生活與工作的每一個(gè)角落——從手腕上的智能手表，到專業(yè)攝影師的相機(jī)，再到工廠里的工業(yè)路由器，都離不開高效可靠的存儲介質(zhì)。SD NAND、TF卡和SD 發(fā)表于 11-24 11:04 ?246次閱讀 分享SD卡協(xié)議、分類及IP設(shè)計(jì)詳解 ”，1位。 這些信息是在卡的生產(chǎn)期間被編程（燒錄），主控制器不能修改它們的內(nèi)容。請注意，SD卡的CID寄存器和MMC 發(fā)表于 10-30 17:14 一文秒懂XTX SD NAND ）內(nèi)部核心存儲的首選方案。本文將帶您全面了解SD NAND的基礎(chǔ)知識、關(guān)鍵性能指標(biāo)及典型應(yīng)用，助力您在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和選型時(shí)游刃有余。 一、什么是SD NAND？ 定義：專為SD卡（包括 發(fā)表于 10-30 08:38 ?423次閱讀 解鎖存儲密碼：SD NAND、TF卡、SD卡的應(yīng)用全景 ，讓我們一同揭開它們的神秘面紗，深入了解其應(yīng)用領(lǐng)域、場景及具體產(chǎn)品。 一、SD NAND：大能量 SD NAND，也被叫做貼片式TF卡或者eMMC的簡化版 ，是一種貼片式封裝的存儲芯片，尺寸微小，常見的僅有6x8mm?，直接焊接 發(fā)表于 10-29 14:24 ?224次閱讀 MCU２００T上SD卡讀寫流程 SD卡　MCU２００T對應(yīng)管腳表 SD卡管腳 FPGA管腳 sd_miso F１６ 發(fā)表于 10-29 07:04 SD卡無法掛載怎么解決？ 本人的SD卡掛載文件系統(tǒng)一直不成功，論壇上的相關(guān)帖子的方法都嘗試了也不行，請求大神支持，具體如下： 1.開發(fā)的工程基于XHSC官方推出的開發(fā)板EV_F4A0_LQ176的工程。 2.SD 發(fā)表于 10-10 06:19 M483SIDAE SD控制器，無法使用DMA讀取從SDHC獲取正確的數(shù)據(jù)，怎么解決？ 1、至于M483SIDAE SD控制器，我們無法使用DMA讀取從SDHC獲取正確的數(shù)據(jù) 對于SD接口，我們只使用SD0，所以我們連接SD0_ 發(fā)表于 08-28 06:21 CS創(chuàng)世SD NAND在北京君正平臺和瑞芯微RK平臺的應(yīng)用 int f_min：主機(jī)控制器支持的最小時(shí)鐘頻率 unsigned int f_max：主機(jī)控制器支持的最大時(shí)鐘頻率，對于SD 發(fā)表于 08-22 17:01 如何使用 M487 微控制器 （MCU） 通過 DAC 在 SD 卡上播放 WAV 文件聲音？ 使用 M487 微控制器 （MCU） 通過 DAC 在 SD 卡上播放 WAV 文件聲音 發(fā)表于 08-20 06:05 一文讀懂 SD NAND，小白也能秒變存儲技術(shù)大神 SD NAND 是一種貼片式存儲芯片，內(nèi)部集成 NAND Flash 和 SD 控制器，兼容 SD 協(xié)議，可直接焊接在 PCB 上，無需插卡槽。相比傳統(tǒng) TF 發(fā)表于 08-19 14:40 ?1575次閱讀 SD卡—雷龍 SD NAND 一、SD卡介紹 1.基本介紹 本質(zhì)：nand flash + 控制芯片 1.SD卡 ，Secure Digital 發(fā)表于 07-21 17:59 ?3250次閱讀 【嵌入式開發(fā)】SD卡—雷龍 SD NAND ，由SDIO主機(jī)產(chǎn)生，由STM32微控制器SDIO外設(shè)輸出 CMD：命令線，SDIO主機(jī)通過該線發(fā)送命令控制SD卡，（若命令要求SD 發(fā)表于 07-21 17:56 【STM32系統(tǒng)】基于STM32設(shè)計(jì)的SD卡數(shù)據(jù)讀取與上位機(jī)顯示系統(tǒng)（SDIO接口驅(qū)動(dòng)、雷龍貼片SD卡） _bilibili 　　基于STM32設(shè)計(jì)的SD卡數(shù)據(jù)讀取與上位機(jī)顯示系統(tǒng) 　　簡介：本研究的主要目的是基于STM32F103微控制器，設(shè)計(jì)一個(gè)能夠讀取 發(fā)表于 05-09 16:11 EE-335：SD卡與Blackfin處理器的接口 電子發(fā)燒友網(wǎng)站提供《EE-335：SD卡與Blackfin處理器的接口.pdf》資料免費(fèi)下載 發(fā)表于 01-06 14:15 ?0次下載 華秋（原“華強(qiáng)聚豐”）： 電子發(fā)燒友 華秋開發(fā) 華秋電路(原"華強(qiáng)PCB") 華秋商城(原"華強(qiáng)芯城") 華秋智造 My ElecFans APP 網(wǎng)站地圖 設(shè)計(jì)技術(shù) 可編程邏輯 電源/新能源 MEMS/傳感技術(shù) 測量儀表 嵌入式技術(shù) 制造/封裝 模擬技術(shù) RF/無線 接口/總線/驅(qū)動(dòng) 處理器/DSP EDA/IC設(shè)計(jì) 存儲技術(shù) 光電顯示 EMC/EMI設(shè)計(jì) 連接器 行業(yè)應(yīng)用 LEDs 汽車電子 音視頻及家電 通信網(wǎng)絡(luò) 醫(yī)療電子 人工智能 虛擬現(xiàn)實(shí) 可穿戴設(shè)備 機(jī)器人 安全設(shè)備/系統(tǒng) 軍用/航空電子 移動(dòng)通信 工業(yè)控制 便攜設(shè)備 觸控感測 物聯(lián)網(wǎng) 智能電網(wǎng) 區(qū)塊鏈 新科技 特色內(nèi)容 專欄推薦 學(xué)院 設(shè)計(jì)資源 設(shè)計(jì)技術(shù) 電子百科 電子視頻 元器件知識 工具箱 VIP會員 最新技術(shù)文章 產(chǎn)品地圖 品牌地圖 社區(qū) 小組 論壇 問答 評測試用 企業(yè)服務(wù) 產(chǎn)品 資料 文章 方案 企業(yè) 供應(yīng)鏈服務(wù) 硬件開發(fā) 華秋電路 華秋商城 華秋智造 nextPCB BOM配單 媒體服務(wù) 網(wǎng)站廣告 在線研討會 活動(dòng)策劃 新聞發(fā)布 新品發(fā)布 小測驗(yàn) 設(shè)計(jì)大賽 華秋 關(guān)于我們 投資關(guān)系 新聞動(dòng)態(tài) 加入我們 聯(lián)系我們 舉報(bào)投訴 社交網(wǎng)絡(luò) 微博 移動(dòng)端 發(fā)燒友APP 硬聲APP WAP 聯(lián)系我們 廣告合作 王婉珠：wangwanzhu@elecfans.com 內(nèi)容合作 黃晶晶：huangjingjing@elecfans.com 內(nèi)容合作（海外） 張迎輝：mikezhang@elecfans.com 供應(yīng)鏈服務(wù) PCB/IC/PCBA 江良華：lanhu@huaqiu.com 投資合作 曾海銀：zenghaiyin@huaqiu.com 社區(qū)合作 劉勇：liuyong@huaqiu.com 關(guān)注我們的微信 下載發(fā)燒友APP 電子發(fā)燒友觀察 電子工程師社區(qū) 1-32層PCB打樣·中小批量 元器件現(xiàn)貨·全球代購·SmartBOM SMT貼片·PCBA加工 PCB Manufacturer 華秋簡介 企業(yè)動(dòng)態(tài) 聯(lián)系我們 企業(yè)文化 企業(yè)宣傳片 加入我們 版權(quán)所有 ? 湖南華秋數(shù)字科技有限公司 長沙市望城經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)航空路6號手機(jī)智能終端產(chǎn)業(yè)園2號廠房3層（0731-88081133） 電子發(fā)燒友 （電路圖） 湘公網(wǎng)安備43011202000918 工商網(wǎng)監(jiān) 湘ICP備2023018690號-1