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

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1 引言
飛機飛行狀況監(jiān)測及數(shù)據(jù)采集儀．用于采集飛機試飛時的各種飛行數(shù)據(jù)，要求大量的存儲容量。在飛機回到地面后，需要方便地將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄓ糜嬎銠C上，以便作進一步的數(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糜嬎銠C內(nèi)．在過去，是將數(shù)據(jù)存儲部分設(shè)計為可分離的一個存儲板，數(shù)據(jù)存儲板上設(shè)計有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，通過串口與通用計算機通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄓ糜嬎銠C內(nèi)?？梢钥闯?。這種方法有幾個缺點：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采集系統(tǒng)的可靠性：第三，讀取數(shù)據(jù)的通用計算機需要安裝專用程序。此程序是專門開發(fā)用于通用計算機與數(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4GB)、性價比高、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算機中。目前，SD卡已大量用于數(shù)碼相機、MP3、手機與大容量存儲設(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
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。可通常的單片機沒有硬件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時間，而單片機多具有SPI總線，本文就利用SPI總線實現(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擔(dān)。SD卡內(nèi)部有6個信息寄存器，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。C8051F系列單片機與8051在指令上完全兼容，性能遠遠高于標(biāo)準(zhǔn)的8051單片機，片內(nèi)除了具有8052的全部外設(shè)外．又擴展了豐富的外設(shè)，是一種名副其實的SOC (System On Chip)單片機。C8051F020能夠滿足數(shù)據(jù)采集功能外，還能很容易地實現(xiàn)SD卡的訪問。與SD卡系統(tǒng)相關(guān)的特性如下：

• 單片機內(nèi)部采用流水線結(jié)構(gòu)。指令運行速度高．指令運行速度比一般的80C51系列單片機提高了大約10倍． 可達25MIPS指令運行速度，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與SD卡的連接。而且．這些口線可通過軟件進行配置，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。
• 具有可擴展的中斷系統(tǒng)。支持22個中斷源．2個優(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。
• 時鐘系統(tǒng)更加完善．可以使用內(nèi)部時鐘．也可以使用外部時鐘。通過編程可以切換。
• 可實現(xiàn)通過JTAG接口的在系統(tǒng)調(diào)試。方便系統(tǒng)的開發(fā)。

C8051F系列單片機的SPI串行接口的主要特點如下：全雙工，三線同步傳輸，即在發(fā)送的同時也能接受；可以工作在主機方式或從機方式；主機最大數(shù)據(jù)傳輸速率(位/秒)是系統(tǒng)時鐘頻率的1/2．因而最高可達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時間;串行時鐘極性與相位可編程改變；具有寫沖突保護和總線競爭保護。
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誤標(biāo)志。SPI0CKR是SPI的時鐘速率寄存器．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．寫保護時該引腳為高電平，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。給卡供電。否則斷電。這是為了在SD卡進入不確定狀態(tài)時，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
軟件設(shè)計思想是，為了程序的可移植性和易用性。將程序分為三個層次。第一個層次是硬件抽象層。第二層是實現(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．中斷服務(wù)程序被自動調(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，由不同的命令實現(xiàn)。這些命令分成0—9個不同的類別．每種類別包括幾個具體的命令，對于SPI協(xié)議，每個命令都由主機主動發(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)。主機發(fā)送的命令長度總是6個字節(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。主機發(fā)送命令并讀取響應(yīng)形成一個完整的命令實現(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 熱點推薦 【STM32系統(tǒng)】基于STM32設(shè)計的SD卡數(shù)據(jù)讀取與上位機顯示系統(tǒng)（SDIO接口驅(qū)動、雷龍貼片SD卡） _bilibili 　　基于STM32設(shè)計的SD卡數(shù)據(jù)讀取與上位機顯示系統(tǒng) 　　簡介：本研究的主要目的是基于STM32F103微控制器，設(shè)計一個能夠讀取 發(fā)表于 05-09 16:11 Nand flash 和SD卡（SD NAND）存儲扇區(qū)分配表異同 系統(tǒng)、固態(tài)硬盤等，其訪問通常是通過特定的控制器和驅(qū)動程序進行底層操作，對存儲扇區(qū)分配表的訪問和管理較為直接和底層化。 SD卡（SD NAND）則廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備、相機等，通過 發(fā)表于 03-13 10:45 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》資料免費下載 發(fā)表于 01-06 14:15 ?0次下載 【正點原子STM32H7R3開發(fā)套件試用體驗】SD卡、音樂播放器 【正點原子STM32H7R3開發(fā)套件試用體驗】SD卡、音樂播放器 本文介紹了單片機開發(fā)過程中常用的 SD 卡的讀寫相關(guān)功能，以及使用正點原子 發(fā)表于 01-01 15:33 STM32F407 MCU使用SD NAND?不斷電初始化失效解決方案 STM32F407微控制器單元（MCU）與SD NAND的結(jié)合提供了強大的存儲解決方案。然而，不斷電初始化失效問題可能會導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)完整性受損。我們將STM32F407與 發(fā)表于 12-11 10:51 ?943次閱讀 SD NAND 概述 SD NAND是一種小型、可表面貼裝的存儲解決方案，適用于各種嵌入式系統(tǒng)和便攜式設(shè)備。SD NAND技術(shù)是近年來在存儲領(lǐng)域內(nèi)的一項創(chuàng)新，它結(jié)合了傳統(tǒng)SD/TF卡的功能與NAND閃存的持 發(fā)表于 12-06 11:21 ?714次閱讀 用C8051F020的SPI接口通信，用示波器看SPI輸出的時序沒問題，但沒有數(shù)據(jù)從DAC1282返回，為什么？ 專家好，我已按照datasheet得原理制作PCB版，調(diào)試過程中遇到兩個問題： 1、用C8051F020的SPI接口通信，用示波器看SPI輸出的時序沒問題，但沒有數(shù)據(jù)從DAC1282返回，且輸出 發(fā)表于 12-05 07:14 工業(yè)級SD卡：穩(wěn)健發(fā)展，未來可期 SD卡，自1999年由松下、東芝和SanDisk聯(lián)合推出以來，已經(jīng)走過了二十余年的發(fā)展歷程。從最初的2GB容量、150KB/s的傳輸速度，到如今動輒數(shù)百GB容量、數(shù)GB/s的傳輸速度，SD卡 發(fā)表于 11-07 10:16 ?791次閱讀 SD/MMC卡與TMS320F28xxx DSC的接口 電子發(fā)燒友網(wǎng)站提供《SD/MMC卡與TMS320F28xxx DSC的接口.pdf》資料免費下載 發(fā)表于 10-15 09:44 ?0次下載 瀚海微SD NAND之SD 協(xié)議（36）SPI模式 簡介 SPI模式由基于flash的SD存儲卡提供的輔助通信協(xié)議組成。 這種模式是SD存儲卡協(xié)議的一個子集，設(shè)計用于與SPI通道通信，通常在摩托羅拉(以及最近一些其他供應(yīng)商)的微 發(fā)表于 10-08 10:13 ?681次閱讀 這樣設(shè)計SD/TF卡的PCB更高效、更可靠！ SD卡 是一種基于半導(dǎo)體快閃存儲器的新一代高速存儲設(shè)備，它是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)字存儲卡之一。SD卡 發(fā)表于 09-03 17:05 ?1472次閱讀 這樣設(shè)計SD/TF卡的PCB更高效、更可靠！ SD卡是一種基于半導(dǎo)體快閃存儲器的新一代高速存儲設(shè)備，它是目前應(yīng)用最廣泛的數(shù)字存儲卡之一。SD卡 發(fā)表于 09-03 17:01 樹莓派4b支持多大的sd卡 派4B支持的SD卡類型 樹莓派4B支持的SD卡類型主要有以下幾種： 1.1 SD卡（Secure 發(fā)表于 08-30 17:02 ?2478次閱讀 如何選擇高品質(zhì)SD存儲卡 SD卡（Secure Digital Memory Card）是一種廣泛使用的存儲器件，因其快速的數(shù)據(jù)傳輸速度、可熱插拔的特性以及較大的存儲容量，廣泛應(yīng)用于各種場景，例如在便攜式設(shè)備如智能手機、平板 發(fā)表于 08-22 16:12 ?777次閱讀 訪問SD卡問題 在對SD卡初始化完成后，像讀取SD卡內(nèi)數(shù)據(jù)，訪問扇區(qū)的話，這個參數(shù)是物理扇區(qū)號，還是邏輯扇區(qū)號？ 發(fā)表于 07-29 22:09 華秋（原“華強聚豐”）： 電子發(fā)燒友 華秋開發(fā) 華秋電路(原"華強PCB") 華秋商城(原"華強芯城") 華秋智造 My ElecFans APP 網(wǎng)站地圖 設(shè)計技術(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 處理器/DSP EDA/IC設(shè)計 存儲技術(shù) 光電顯示 EMC/EMI設(shè)計 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 可穿戴設(shè)備 機器人 安全設(shè)備/系統(tǒng) 軍用/航空電子 移動通信 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)計資源 設(shè)計技術(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 活動策劃 新聞發(fā)布 新品發(fā)布 小測驗 設(shè)計大賽 華秋 關(guān)于我們 投資關(guān)系 新聞動態(tài) 加入我們 聯(lián)系我們 舉報投訴 社交網(wǎng)絡(luò) 微博 移動端 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)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)航空路6號手機智能終端產(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