基于C8051F020的SD卡主控制器設(shè)計,SD card controller
基于C8051F020的SD卡主控制器設(shè)計,SD card controller
關(guān)鍵字：基于C8051F020的SD卡主控制器設(shè)計
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糜嬎銠C(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糜嬎銠C(jī)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(jī)通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄓ糜嬎銠C(jī)內(nèi)。可以看出。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(jī)需要安裝專用程序。此程序是專門開發(fā)用于通用計算機(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(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(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(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時間，而單片機(jī)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。卡內(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(fù)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(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)。指令運行速度高．指令運行速度比一般的80C51系列單片機(jī)提高了大約10倍． 可達(dá)25MIPS指令運行速度，滿足高速操作SD卡的功能要求。
- 具有SPI 硬件接口。可與SD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(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(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(jī)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(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時間;串行時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(hù)．寫保護(hù)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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。
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表2 SPI模式命令格式
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