dsPIC33F系列DSC的 SD存储卡接口设计

　　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。大小犹如一张邮票的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，最后通过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，因此最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。新规范定义的最大容量为32 GB。但是由于成本的原因，标准容量SD卡仍然是市场的主流产品。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。

　　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。

　　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。

　　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，并且最高位总是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。最高字节和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。