51单片机读写SD卡程序实例完整版(学习)
SD卡在现在的日常生活与工作中使用非常广泛，时下已经成为最为通用的数据存储卡。在诸如MP3、数码相机等设备上也都采用SD卡作为其存储设备。SD卡之所以得到如此广泛的使用，是因为它价格低廉、存储容量大、使用方便、通用性与安全性强等优点。既然它有着这么多优点，那么如果将它加入到单片机应用开发系统中来，将使系统变得更加出色。这就要求对SD卡的硬件与读写时序进行研究。对于SD卡的硬件结构，在官方的文档上有很详细的介绍，如SD卡内的存储器结构、存储单元组织方式等内容。要实现对它的读写，最核心的是它的时序，笔者在经过了实际的测试后，使用51单片机成功实现了对SD卡的扇区读写，并对其读写速度进行了评估。下面先来讲解SD卡的读写时序。
（1）SD卡的引脚定义：
SD卡引脚功能详述：
注：S：电源供给I：输入O：采用推拉驱动的输出
PP：采用推拉驱动的输入输出
SD卡SPI模式下与单片机的连接图：
SD卡支持两种总线方式：SD方式与SPI方式。其中SD方式采用6线制，使用CLK、CMD、DAT0~DAT3进行数据通信。而SPI方式采用4线制，使用CS、CLK、DataIn、DataOut进行数据通信。SD方式时的数据传输速度与SPI方式要快，采用单片机对SD 卡进行读写时一般都采用SPI模式。采用不同的初始化方式可以使SD卡工作于SD方式或SPI方式。这里只对其SPI方式进行介绍。
（2） SPI方式驱动SD卡的方法
SD卡的SPI通信接口使其可以通过SPI通道进行数据读写。从应用的角度来看，采用SPI接口的好处在于，很多单片机内部自带SPI控制器，不光给开发上带来方便，同时也见降低了开发成本。然而，它也有不好的地方，如失去了SD卡的性能优势，要解决这一问题，就要用SD方式，因为它提供更大的总线数据带宽。SPI接口的选用是在上电初始时向其写入第一个命令时进行的。以下介绍SD卡的驱动方法，只实现简单的扇区读写。
1）命令与数据传输
1. 命令传输
SD卡自身有完备的命令系统，以实现各项操作。命令格式如下：
命令的传输过程采用发送应答机制，过程如下：
每一个命令都有自己命令应答格式。在SPI模式中定义了三种应答格式，如下表所示：
写命令的例程：
1.//--------------------------------------------------------------------------
---------------------
2.向SD卡中写入命令，并返回回应的第二个字节
3.//--------------------------------------------------------------------------
---------------------
4.unsigned char Write_Command_SD(unsigned char *CMD)
5.{
6.unsigned char tmp;
7.unsigned char retry=0;
8.unsigned char i;
9.
10.//禁止SD卡片选
11. SPI_CS=1;
12.//发送8个时钟信号
13. Write_Byte_SD(0xFF);
14.//使能SD卡片选
15. SPI_CS=0;
16.
17.//向SD卡发送6字节命令
18.for (i=0;i<0x06;i++)
19. {
20. Write_Byte_SD(*CMD++);
21. }
22.
23.//获得16位的回应
24. Read_Byte_SD(); //read the first byte,ignore it.
25.do
26. { //读取后8位
27. tmp = Read_Byte_SD();
28. retry++;
29. }
30.while((tmp==0xff)&&(retry<100));
31.return(tmp);
32.}
2）初始化
SD卡的初始化是非常重要的，只有进行了正确的初始化，才能进行后面的各项操作。在初始化过程中，SPI的时钟不能太快，否则会造初始化失败。在初始化成功后，应尽量提高SPI的速率。在刚开始要先发送至少74个时钟信号，这是必须的。在很多读者的实验中，很多是因为疏忽了这一点，而使初始化不成功。随后就是写入两个命令CMD0与CMD1，使SD卡进入SPI模式
初始化时序图：
初始化例程：
1.//--------------------------------------------------------------------------
2.初始化SD卡到SPI模式
3.//--------------------------------------------------------------------------
4.unsigned char SD_Init()
5.{
6.unsigned char retry,temp;
7.unsigned char i;
8.unsigned char CMD[] = {0x40,0x00,0x00,0x00,0x00,0x95};
9. SD_Port_Init(); //初始化驱动端口
10.
11. Init_Flag=1; //将初始化标志置1
12.
13.for (i=0;i<0x0f;i++)
14. {
15. Write_Byte_SD(0xff); //发送至少74个时钟信号
16. }
17.
18.//向SD卡发送CMD0
19. retry=0;
20.do
21. { //为了能够成功写入CMD0,在这里写200次
22. temp=Write_Command_SD(CMD);
23. retry++;
24.if(retry==200)
25. { //超过200次
26.return(INIT_CMD0_ERROR);//CMD0 Error!
27. }
28. }
29.while(temp!=1); //回应01h，停止写入
30.
31.//发送CMD1到SD卡
32. CMD[0] = 0x41; //CMD1
33. CMD[5] = 0xFF;
34. retry=0;
35.do
36. { //为了能成功写入CMD1,写100次
37. temp=Write_Command_SD(CMD);
38. retry++;
39.if(retry==100)
40. { //超过100次
41.return(INIT_CMD1_ERROR);//CMD1 Error!
42. }
43. }
44.while(temp!=0);//回应00h停止写入
45.
46. Init_Flag=0; //初始化完毕，初始化标志清零
47.
48. SPI_CS=1; //片选无效
49.return(0); //初始化成功
50.}
51.
52.
3）读取CID
CID寄存器存储了SD卡的标识码。每一个卡都有唯一的标识码。
CID寄存器长度为128位。它的寄存器结构如下：
它的读取时序如下：
与此时序相对应的程序如下：
1.//--------------------------------------------------------------------------
----------
2.读取SD卡的CID寄存器 16字节成功返回0
3.//--------------------------------------------------------------------------
-----------
4.unsigned char Read_CID_SD(unsigned char *Buffer)
5.{
6.//读取CID寄存器的命令
7.unsigned char CMD[] = {0x4A,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};
8.unsigned char temp;
9. temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16); //read 16 bytes
10.return(temp);
11.}
4）读取CSD
CSD（Card-Specific Data）寄存器提供了读写SD卡的一些信息。其中的一些单元可以由用户重新编程。具体的CSD结构如下：
读取CSD 的时序：
相应的程序例程如下：
1.//--------------------------------------------------------------------------
---------------
2.读SD卡的CSD寄存器共16字节返回0说明读取成功
3.//--------------------------------------------------------------------------
---------------
4.unsigned char Read_CSD_SD(unsigned char *Buffer)
5.{
6.//读取CSD寄存器的命令
7.unsigned char CMD[] = {0x49,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};
8.unsigned char temp;
9. temp=SD_Read_Block(CMD,Buffer,16); //read 16 bytes
10.return(temp);
11.}
4）读取SD卡信息
综合上面对CID与CSD寄存器的读取，可以知道很多关于SD卡的信息，以下程序可以获取这些信息。如下：
1.//--------------------------------------------------------------------------
---------------------
2.//返回
3.// SD卡的容量，单位为M
4.// sector count and multiplier MB are in
5.u08 == C_SIZE / (2^(9-C_SIZE_MULT))
6.// SD卡的名称
7.//--------------------------------------------------------------------------
---------------------
8.void SD_get_volume_info()
9.{
10.unsigned char i;
11.unsigned char c_temp[5];
12. VOLUME_INFO_TYPE SD_volume_Info,*vinf;
13. vinf=&SD_volume_Info; //Init the pointoer;
14./读取CSD寄存器
15. Read_CSD_SD(sectorBuffer.dat);
16.//获取总扇区数
17. vinf->sector_count = sectorBuffer.dat[6] & 0x03;
18. vinf->sector_count <<= 8;
19. vinf->sector_count += sectorBuffer.dat[7];
20. vinf->sector_count <<= 2;
21. vinf->sector_count += (sectorBuffer.dat[8] & 0xc0) >> 6;
22.// 获取multiplier
23. vinf->sector_multiply = sectorBuffer.dat[9] & 0x03;
24. vinf->sector_multiply <<= 1;
25. vinf->sector_multiply += (sectorBuffer.dat[10] & 0x80) >> 7;
26.//获取SD卡的容量
27. vinf->size_MB = vinf->sector_count >> (9-vinf->sector_multiply);
28.// get the name of the card
29. Read_CID_SD(sectorBuffer.dat);
30. vinf->name[0] = sectorBuffer.dat[3];
31. vinf->name[1] = sectorBuffer.dat[4];
32. vinf->name[2] = sectorBuffer.dat[5];
33. vinf->name[3] = sectorBuffer.dat[6];
34. vinf->name[4] = sectorBuffer.dat[7];
35. vinf->name[5] = 0x00; //end flag
36.}
37.以上程序将信息装载到一个结构体中，这个结构体的定义如下：
38.typedef struct SD_VOLUME_INFO
39.{ //SD/SD Card info
40.unsigned int size_MB;
41.unsigned char sector_multiply;
42.unsigned int sector_count;
43.unsigned char name[6];
44.} VOLUME_INFO_TYPE;
5）扇区读
扇区读是对SD卡驱动的目的之一。SD卡的每一个扇区中有512个字节，一次扇区读操作将把某一个扇区内的512个字节全部读出。过程很简单，先写入命令，在得到相应的回应后，开始数据读取。
扇区读的时序：
扇区读的程序例程：
1.unsigned char SD_Read_Sector(unsigned long sector,unsigned char *buffer)
2.{
3.unsigned char retry;
4.//命令16
5.unsigned char CMD[] = {0x51,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF};
6.unsigned char temp;
7.
8.//地址变换由逻辑块地址转为字节地址
9. sector = sector << 9; //sector = sector * 512
10.
11. CMD[1] = ((sector & 0xFF000000) >>24 );
12. CMD[2] = ((sector & 0x00FF0000) >>16 );
13. CMD[3] = ((sector & 0x0000FF00) >>8 );
14.
15.//将命令16写入SD卡
16. retry=0;
17.do
18. { //为了保证写入命令一共写100次
19. temp=Write_Command_MMC(CMD);
20. retry++;
21.if(retry==100)
22. {
23.return(READ_BLOCK_ERROR); //block write Error!
24. }
25. }
26.while(temp!=0);
27.
28.//Read Start Byte form MMC/SD-Card (FEh/Start Byte)
29.//Now data is ready,you can read it out.
30.while (Read_Byte_MMC() != 0xfe);
31. readPos=0;
32. SD_get_data(512,buffer) ; //512字节被读出到buffer中
33.return 0;
34.}
35.其中SD_get_data函数如下：
36.//--------------------------------------------------------------------------
--
37.获取数据到buffer中
38.//--------------------------------------------------------------------------
--
39.void SD_get_data(unsigned int Bytes,unsigned char *buffer)
40.{
41.unsigned int j;
42.for (j=0;j 43. *buffer++ = Read_Byte_SD(); 44.} 45. 6）扇区写 扇区写是SD卡驱动的另一目的。每次扇区写操作将向SD卡的某个扇区中写入512个字节。过程与扇区读相似，只是数据的方向相反与写入命令不同而已。 扇区写的时序： 扇区写的程序例程： 1.//-------------------------------------------------------------------------- ------------------ 2.写512个字节到SD卡的某一个扇区中去返回0说明写入成功 3.//-------------------------------------------------------------------------- ------------------ 4.unsigned char SD_write_sector(unsigned long addr,unsigned char *Buffer) 5.{ 6.unsigned char tmp,retry; 7.unsigned int i; 8.//命令24 9.unsigned char CMD[] = {0x58,0x00,0x00,0x00,0x00,0xFF}; 10. addr = addr << 9; //addr = addr * 512 11. 12. CMD[1] = ((addr & 0xFF000000) >>24 ); 13. CMD[2] = ((addr & 0x00FF0000) >>16 ); 14. CMD[3] = ((addr & 0x0000FF00) >>8 ); 15. 16.//写命令24到SD卡中去 17. retry=0; 18.do 19. { //为了可靠写入，写100次 20. tmp=Write_Command_SD(CMD); 21. retry++; 22.if(retry==100) 23. { 24.return(tmp); //send commamd Error! 25. } 26. } 27.while(tmp!=0); 28. 29. 30.//在写之前先产生100个时钟信号 31.for (i=0;i<100;i++) 32. { 33. Read_Byte_SD(); 34. } 35. 36.//写入开始字节 37. Write_Byte_MMC(0xFE); 38. 39.//现在可以写入512个字节 40.for (i=0;i<512;i++) 41. { 42. Write_Byte_MMC(*Buffer++); 43. } 44. 45.//CRC-Byte 46. Write_Byte_MMC(0xFF); //Dummy CRC 47. Write_Byte_MMC(0xFF); //CRC Code 48. 49. 50. tmp=Read_Byte_MMC(); // read response 51.if((tmp & 0x1F)!=0x05) // 写入的512个字节是未被接受 52. { 53. SPI_CS=1; 54.return(WRITE_BLOCK_ERROR); //Error! 55. } 56.//等到SD卡不忙为止 57.//因为数据被接受后，SD卡在向储存阵列中编程数据 58.while (Read_Byte_MMC()!=0xff){}; 59. 60.//禁止SD卡 61. SPI_CS=1; 62.return(0);//写入成功 63.} 64.