SPI模式下MCU对SD卡的控制及操作命令

一、前言

SD 卡有两个可选的通讯协议：SD 模式和 SPI模式

　　SD 模式是SD 卡标准的读写方式，但是在选用SD 模式时，往往需要选择带有SD 卡控制器接口的 MCU，或者必须加入额外的SD卡控制单元以支持SD 卡的读写。然而，大多数MCU都没有集成SD 卡控制器接口，若选用SD 模式通讯就无形中增加了产品的硬件成本。在SD卡数据读写时间要求不是很严格的情况下， 选用 SPI模式可以说是一种最佳的解决方案。因为在 SPI模式下，通过四条线就可以完成所有的数据交换，并且目前市场上很多MCU都集成有现成的SPI接口电路，采用 SPI模式对 SD卡进行读写操作可大大简化硬件电路的设计。

二、硬件电路实现

以NXP的LPC2210 ARM7MCU为例，下图是周立功开发的实现板电路。这里，将LPC2210MCU的SPI0用于SD卡的控制和数据读写。对SPI0的两个数据线加了上拉电阻以便于MMC卡兼容。卡供电采用了可控方式，通过GPIO口控制MOS管对其进行供电。卡检测电路也使用GPIO口实现。通过读GPIO口数据，检查卡是否写保护和完全插入。具体内容可以参考周立功的说明书，百度文库里边有

三、SD卡物理接口

我们看到的SD卡一包如下所示，包含9个引脚和一个写保护开关：

其引脚定义如下：

注：

1.  S：电源；I：输入；O：推挽输出；PP：推挽I/O。 
2.  扩展的DAT线（DAT1 ~ DAT3）在上电后处于输入状态。它们在执行SET_BUS_WIDTH命令后作为DAT线操作。当不使用DAT1 ~ DAT3 线时，主机应使自己的DAT1~DAT3线处于输入模式。这样定义是为了与MMC卡保持兼容。

3.  上电后，这条线为带 50KΩ上拉电阻的输入线（可以用于检测卡是否存在或选择 SPI 模式） 。用户可以在正常的数据传输中用 SET_CLR_CARD_DETECT（ACMD42）命令断开上拉电阻的连接。MMC卡的该引脚在SD模式下为保留引脚，在SD模式下无任何作用。 
4.  MMC卡在SD模式下为：I/O/PP/OD。 
5.  MMC卡在SPI模式下为：I/PP。

四、对SD卡的控制流程

1、SD卡的SPI工作模式

SD 卡在上电初期自动进入SD 总线模式，在此模式下向 SD 卡发送复位命令CMD0 。如果SD卡在接收复位命令过程中CS低电平有效，则进入SPI模式，否则工作在SD 总线模式。

下边是插入SD卡，并初始化为SPI模式的流程图：（至于CMD××究竟是什么样的命令，本文最后会附上）

在复位成功之后可以通过CMD55和ACMD41 判断当前电压是否在工作范围内 主机还可以继续通过CMD10读取SD 卡的CID寄存器，通过CMD16 设置数据 Block长度，通过CMD9 读取卡的 CSD寄存器 从CSD 寄存器中，主机可获知卡容量，支持的命令集等重要参数。

2、数据块的读写

完成SD 卡的初始化之后即可进行它的读写操作 SD卡的读写操作都是通过发送 SD 卡命令完成的SPI总线模式支持单块（CMD24）和多块（CMD25）写操作，多块操作是指从指定位置开始写下去，直到SD 卡收到一个停止命令CMD12才停止 单块写操作的数据块长度只能是512 字节 单块写入时，命令为CMD24，当应答为0时说明可以写入数据，大小为512 字节 SD 卡对每个发送给自己的数据块都通过一个应答命令确认，它为1个字节长，当低 5位为00101 时，表明数据块被正确写入SD 卡  
  在需要读取SD 卡中数据的时候，读SD卡的命令字为CMD17，接收正确的第一个响应命令字节为0xFE，随后是512 个字节的用户数据块，最后为2 个字节的CRC验证码    可见，读写SD 卡的操作都是在初始化后基于 SD 卡命令和响应完成操作的，写、读 SD 卡的程序流程图如下所示  ：

（1）写SD卡流程

（2）读SD卡流程

五、SD卡的操作命令集合

对SD卡的操作就靠这些命令来实现的。一下命令来自周立功的SD/MMC中间件。我查了好多地方都只显示CMD0、CMD1之类的东西，而没人说这些东西是什么。就贴到这里供参考，这也是我写这个博客的目的，因为这些命令我找了好久的。关于SD，我一句操作代码都没贴。。。

/* 命令响应定义 define command's response */
#define R1 1
#define R1B 2
#define R2 3
#define R3 4

/**********************************************

     SD卡SPI模式下命令集

**********************************************/

/******************************** 基本命令集 Basic command set **************************/
/* 复位SD 卡 Reset cards to idle state */
#define CMD0 0
#define CMD0_R R1

/* 读OCR寄存器 Read the OCR (MMC mode, do not use for SD cards) */
#define CMD1 1
#define CMD1_R R1

/* 读CSD寄存器 Card sends the CSD */
#define CMD9 9
#define CMD9_R R1

/* 读CID寄存器 Card sends CID */
#define CMD10 10
#define CMD10_R R1

/* 停止读多块时的数据传输 Stop a multiple block (stream) read/write operation */
#define CMD12 12
#define CMD12_R R1B

/* 读 Card_Status 寄存器 Get the addressed card's status register */
#define CMD13 13
#define CMD13_R R2

/***************************** 块读命令集 Block read commands **************************/

/* 设置块的长度 Set the block length */
#define CMD16 16
#define CMD16_R R1

/* 读单块 Read a single block */
#define CMD17 17
#define CMD17_R R1

/* 读多块,直至主机发送CMD12为止 Read multiple blocks until a CMD12 */
#define CMD18 18
#define CMD18_R R1

/***************************** 块写命令集 Block write commands *************************/
/* 写单块 Write a block of the size selected with CMD16 */
#define CMD24 24
#define CMD24_R R1

/* 写多块 Multiple block write until a CMD12 */
#define CMD25 25
#define CMD25_R R1

/* 写CSD寄存器 Program the programmable bits of the CSD */
#define CMD27 27
#define CMD27_R R1

/***************************** 写保护 Write protection *****************************/
/* Set the write protection bit of the addressed group */
#define CMD28 28
#define CMD28_R R1B

/* Clear the write protection bit of the addressed group */
#define CMD29 29
#define CMD29_R R1B

/* Ask the card for the status of the write protection bits */
#define CMD30 30
#define CMD30_R R1

/***************************** 擦除命令 Erase commands *******************************/
/* 设置擦除块的起始地址(只用于SD卡) Set the address of the first write block to be erased(only for SD) */
#define CMD32 32
#define CMD32_R R1

/* 设置擦除块的终止地址(只用于SD卡) Set the address of the last write block to be erased(only for SD) */
#define CMD33 33
#define CMD33_R R1

/* 设置擦除块的起始地址(只用于MMC卡) Set the address of the first write block to be erased(only for MMC) */
#define CMD35 35
#define CMD35_R R1

/* 设置擦除块的终止地址(只用于MMC卡) Set the address of the last write block to be erased(only for MMC) */
#define CMD36 36
#define CMD36_R R1

/* 擦除所选择的块 Erase the selected write blocks */
#define CMD38 38
#define CMD38_R R1B

/***************************** 锁卡命令 Lock Card commands ***************************/
/* 设置/复位密码或上锁/解锁卡 Set/reset the password or lock/unlock the card */
#define CMD42 42
#define CMD42_R    R1B
/* Commands from 42 to 54, not defined here */

/***************************** 应用命令 Application-specific commands ****************/
/* 禁止下一个命令为应用命令  Flag that the next command is application-specific */
#define CMD55 55
#define CMD55_R R1

/* 应用命令的通用I/O  General purpose I/O for application-specific commands */
#define CMD56 56
#define CMD56_R R1

/* 读OCR寄存器  Read the OCR (SPI mode only) */
#define CMD58 58
#define CMD58_R R3

/* 使能或禁止 CRC Turn CRC on or off */
#define CMD59 59
#define CMD59_R R1

/***************************** 应用命令 Application-specific commands ***************/
/* 获取 SD Status寄存器 Get the SD card's status */
#define ACMD13 13
#define ACMD13_R R2

/* 得到已写入卡中的块的个数 Get the number of written write blocks (Minus errors ) */
#define ACMD22 22
#define ACMD22_R R1

/* 在写之前,设置预先擦除的块的个数 Set the number of write blocks to be pre-erased before writing */
#define ACMD23 23
#define ACMD23_R R1

/* 读取OCR寄存器 Get the card's OCR (SD mode) */
#define ACMD41 41
#define ACMD41_R R1

/* 连接/断开CD/DATA[3]引脚上的上拉电阻 Connect or disconnect the 50kOhm internal pull-up on CD/DAT[3] */
#define ACMD42 42
#define ACMD42_R R1

/* 读取SCR寄存器 Get the SD configuration register */
#define ACMD51 51
#define ACMD51_R R1