SD介質(zhì)格式擴(kuò)展了MAXQ2000的非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間

本文演示如何使用安全數(shù)字（SD）介質(zhì)格式擴(kuò)展MAXQ2000的非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

低功耗、低噪聲MAXQ2000微控制器適用于多種應(yīng)用。MAXQ2000將非易失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在閃存中，具有32k字（64kB）閃存容量，與用戶代碼空間共享。但是，如果您的應(yīng)用程序需要更多非易失性存儲(chǔ)，該怎么辦？本文演示如何使用安全數(shù)字 （SD?）介質(zhì)格式，以擴(kuò)展MAXQ2000的非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

外部存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

應(yīng)用的首要設(shè)計(jì)考慮因素是電源電壓和電流要求。在典型的MAXQ2000應(yīng)用中，采用雙通道線性穩(wěn)壓器來(lái)運(yùn)行處理器內(nèi)核電壓（VDD） 以所選設(shè)計(jì)時(shí)鐘速率所需的最低電壓。The MAXQ2000 VDD電源可低至 1.8V。MAXQ2000上的I/O引腳由V供電迪奧，其允許的較低范圍為 VDD上限為3.6V。外部存儲(chǔ)的可接受電流消耗取決于電源的額定電流，如果是電池供電設(shè)備，則取決于電池系統(tǒng)的容量。

其次，用于連接外部存儲(chǔ)器的MAXQ2000 I/O線數(shù)量必須保持在最低限度，同時(shí)仍能為預(yù)期應(yīng)用提供足夠的帶寬。例如，Atmel AT29LV512 閃存芯片在與主機(jī)微控制器連接時(shí)需要 15 條地址線、2000 條數(shù)據(jù)線和 2000 條控制線。由于MAXQ<>沒有外部地址/數(shù)據(jù)總線，因此在該示例中需要軟件控制總線事務(wù)。對(duì)于某些應(yīng)用，該方法不能有效利用MAXQ<>的I/O引腳。

SPI?和我2然而，基于 C 的外部閃存設(shè)備只需要三個(gè)或四個(gè)接口引腳。MAXQ2000具有硬件SPI模塊，而2C必須由用戶在MAXQ2000上軟件中實(shí)現(xiàn)（即“位敲擊”）。這種集成功能意味著SPI接口是訪問(wèn)外部非易失性存儲(chǔ)器的主要途徑。

SD 存儲(chǔ)卡格式

SD介質(zhì)格式是一種非易失性外部存儲(chǔ)器，可滿足許多應(yīng)用的上述考慮因素。SD格式是“多媒體卡”格式或MMC的繼承者。SD卡存儲(chǔ)器通常采用3.3V電源供電，電流要求適中。SD卡容量范圍從幾兆字節(jié)到最大容量4GB。這種廣泛的可用尺寸為許多應(yīng)用提供了充足的外部存儲(chǔ)空間。

乍一看，SD似乎不能輕易與MAXQ2000連接，因?yàn)榍罢邔Ｓ械墓蚕砜偩€。但是，SD繼承了MMC的輔助總線格式SPI。因此接口很簡(jiǎn)單，因?yàn)镸AXQ2000包含對(duì)SPI的硬件支持。

圖1.MAXQ2000可輕松連接至SD存儲(chǔ)卡。

圖1所示為典型應(yīng)用電路。SD 卡需要全雙工 8 位 SPI 操作。數(shù)據(jù)從MAXQ2000的MOSI引腳輸入卡的DI引腳，從卡的DO線進(jìn)入MAXQ2000的MISO引腳。數(shù)據(jù)在CLK線的上升沿同時(shí)輸入和傳出卡。每筆交易結(jié)束時(shí)必須提供八個(gè)額外的時(shí)鐘，以允許SD卡完成任何未完成的操作。這些額外時(shí)鐘期間的輸入數(shù)據(jù)必須全部為 400。在識(shí)別階段，時(shí)鐘速率必須限制為最大25kHz，但一旦識(shí)別SD卡，時(shí)鐘速率可以增加到<>MHz。

MAXQ2000 SPI模塊

MAXQ2000包含一個(gè)硬件SPI模塊，易于配置為SD卡接口。為了配置時(shí)鐘極性和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，SPICF寄存器被編程為全零。這將SPI模塊配置為在上升時(shí)鐘邊沿鎖存數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)置為2000位。對(duì)于該應(yīng)用，MAXQ16的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為0MHz。在這種情況下，SPICK寄存器被編程為28x380，從而產(chǎn)生大約<>kHz的SPI時(shí)鐘。必須通過(guò)設(shè)置 SPICN 寄存器的兩個(gè)較低位來(lái)啟用 SPI 主模式。

標(biāo)清 SPI 數(shù)據(jù)格式

SD 卡的 SPI 協(xié)議類似于其 SD 總線協(xié)議。沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送的卡不會(huì)在每個(gè)時(shí)鐘邊沿從SD卡的DO引腳接收有效數(shù)據(jù)，而是將DO引腳保持在所有時(shí)鐘邊沿的空閑狀態(tài)。當(dāng)卡有數(shù)據(jù)要發(fā)送回主機(jī)時(shí)，在數(shù)據(jù)之前發(fā)送起始位為零的專用令牌。從SD卡傳輸?shù)乃袛?shù)據(jù)都會(huì)在這些令牌之后立即發(fā)送，并且長(zhǎng)度固定。由于接收方事先知道預(yù)期的字節(jié)數(shù)，因此響應(yīng)中不包含長(zhǎng)度字節(jié)。此外，由于在發(fā)送啟動(dòng)令牌和數(shù)據(jù)之前不會(huì)發(fā)生空閑狀態(tài)，因此所有數(shù)據(jù)字節(jié)都將原封不動(dòng)地傳輸，并且沒有前綴。與總線上的所有其他流量一樣，令牌在 SPI 事務(wù)的 8 位邊界上對(duì)齊。從主機(jī)到卡的命令和數(shù)據(jù)遵循類似的格式，所有 7 都表示空閑總線。除狀態(tài)令牌之外的所有事務(wù)都受附加到數(shù)據(jù)末尾的循環(huán)冗余校驗(yàn) （CRC） 代碼的保護(hù)。提供了兩種CRC算法：CRC-16用于短數(shù)據(jù)塊，CRC-<>用于較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)塊。CRC 是 SD SPI 接口的可選部分，但應(yīng)用于保證數(shù)據(jù)完整性，除非應(yīng)用限制阻止其使用。

循環(huán)冗余校驗(yàn)

CRC算法通常用于檢測(cè)由不可靠的通信信道引起的錯(cuò)誤。特定CRC的選擇取決于要保護(hù)的數(shù)據(jù)大小。對(duì)于標(biāo)清介質(zhì)，指定了CRC-7和CRC-16。

CRC算法將受保護(hù)的數(shù)據(jù)除以選定的除數(shù)并產(chǎn)生余數(shù)。由于算法中使用的多項(xiàng)式數(shù)學(xué)，這種除法是在沒有進(jìn)位邏輯的情況下完成的。由于不需要進(jìn)位，因此可以通過(guò)邏輯異或運(yùn)算完成除法。選定的除數(shù)通常稱為CRC多項(xiàng)式。然后，生成的余數(shù)與數(shù)據(jù)一起傳輸，接收器可以使用該余數(shù)來(lái)檢查數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中是否未損壞。

對(duì)于CRC-7，余數(shù)可以使用軟件中的7位移位寄存器進(jìn)行計(jì)算。此移位寄存器在計(jì)算開始時(shí)初始化為所有零。當(dāng)受保護(hù)數(shù)據(jù)的每個(gè)位（MSB優(yōu)先）移入移位寄存器的LSB時(shí)，移位寄存器的MSB被移出并檢查。如果剛剛移出的位是 7，則移位寄存器的內(nèi)容通過(guò) XOR 與 CRC-0 多項(xiàng)式值 09x7 進(jìn)行修改。如果移出移位寄存器的位為零，則不執(zhí)行異或。一旦受保護(hù)數(shù)據(jù)的最后一位被移入并且條件異或完成，就必須以類似的方式再移入七個(gè)零。此過(guò)程稱為增強(qiáng)，并完成多項(xiàng)式除法。此時(shí)，可以直接從移位寄存器讀取CRC-<>值。

圖2.CRC-7可以使用移位寄存器架構(gòu)進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)接收器擁有所有受保護(hù)的數(shù)據(jù)時(shí)，接收器可以計(jì)算受保護(hù)數(shù)據(jù)的CRC-7值，并將其與接收到的CRC-7值進(jìn)行比較。如果值不同，接收方知道受保護(hù)的數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中已損壞。如果值匹配，接收方可以高度確定地知道數(shù)據(jù)完整性不會(huì)受到通信信道的影響。

CRC-16算法可以用同樣的方式構(gòu)建。在這種情況下，移位寄存器的長(zhǎng)度為16位而不是7位，多項(xiàng)式值更改為0x1021，輸入數(shù)據(jù)增加了16個(gè)零位。

SD 命令格式

命令以6字節(jié)格式發(fā)送到卡（圖3）。命令的第一個(gè)字節(jié)可以通過(guò)使用十六進(jìn)制6x0對(duì) 40 位命令代碼進(jìn)行 OR 運(yùn)算來(lái)構(gòu)造。接下來(lái)的四個(gè)字節(jié)提供單個(gè) 32 位參數(shù)（如果命令需要）;最后一個(gè)字節(jié)包含字節(jié) 7 到 1 的 CRC-5 校驗(yàn)和。表 1 列出了重要的 SD 命令。

圖3.SPI 模式 SD 命令以 6 字節(jié)格式發(fā)送到卡。

在 SPI 模式下初始化 SD 卡

上電時(shí)，SD 卡默認(rèn)采用專有的 SD 總線協(xié)議。要將卡切換到 SPI 模式，主機(jī)發(fā)出命令 0 （GO_IDLE_STATE）。SD 卡通過(guò)觀察卡選擇 （CS） 引腳在GO_IDLE_STATE命令期間保持低電平來(lái)檢測(cè) SPI 模式選擇?？ㄒ皂憫?yīng)格式R1響應(yīng)（圖4）?？臻e狀態(tài)位設(shè)置為高，表示卡已進(jìn)入空閑狀態(tài)。為了保持與MMC卡的兼容性，在此階段SPI時(shí)鐘速率不得超過(guò)400kHz。

圖4.響應(yīng)格式 R1 指示發(fā)出的命令成功或失敗。

現(xiàn)在 SD 卡處于 SPI 模式，SD 規(guī)范要求主機(jī)先發(fā)出初始化命令，然后才能處理任何其他請(qǐng)求。為了區(qū)分 MMC 和 SD 卡，SD 卡實(shí)現(xiàn)了 MMC 卡不響應(yīng)的備用初始化命令。向卡發(fā)送命令 55 （APP_CMD） 后跟應(yīng)用程序命令 41 （SEND_OP_COND） 即可完成此重要步驟。MMC 卡不響應(yīng)命令 55，該命令可用于拒絕 MMC 卡作為無(wú)效介質(zhì)。重復(fù)此命令序列，直到來(lái)自卡的R1響應(yīng)中的所有位都為零（即空閑位變低）。

清單 1.代碼必須使用 SEND_OP_COND 標(biāo)識(shí) SD 和 MMC 卡。

SD 卡包含幾個(gè)重要的寄存器，這些寄存器提供有關(guān) SD 卡的信息。最重要的寄存器是卡特定數(shù)據(jù)寄存器（CSD）。對(duì)于我們的示例應(yīng)用程序，我們對(duì)內(nèi)存的塊大小和總大小感興趣。我們還必須注意卡識(shí)別數(shù)據(jù)寄存器（CID），因?yàn)樗嘘P(guān)卡制造商和序列號(hào)的詳細(xì)信息。圖 5 顯示了 CSD 和 CID 寄存器的布局。

圖5.CSD 和 CID 寄存器提供有關(guān) SD 卡的信息。

檢查 SD 卡響應(yīng)

要從卡中讀取卡寄存器或塊，我們必須首先了解卡如何響應(yīng)我們的查詢。在 SPI 模式下，SD 卡使用 R9 格式回復(fù)命令SEND_CSD （10）、SEND_CID （17） 和READ_SINGLE_BLOCK （1）。接下來(lái)是開始令牌、請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，最后是數(shù)據(jù)的 CRC-16 校驗(yàn)和。我們不能假設(shè) R1 回復(fù)和數(shù)據(jù)啟動(dòng)令牌一個(gè)接一個(gè)地立即發(fā)生，因?yàn)榭偩€可以在這兩個(gè)事件之間進(jìn)入空閑狀態(tài)一段時(shí)間。圖 6 詳細(xì)介紹了數(shù)據(jù)響應(yīng)。

圖6.從 SD 卡到主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸以啟動(dòng)令牌為前綴。

讀取懲教署和國(guó)際舞蹈委員會(huì)寄存器元數(shù)據(jù)

SEND_CSD 和 SEND_CID 命令發(fā)回用于確定 SD 卡參數(shù)的寄存器內(nèi)容。這些命令返回固定數(shù)量的字節(jié)，分別對(duì)應(yīng)于 CSD 或 CID 寄存器的大小。這些 SEND 命令的 SD 卡將忽略命令字節(jié)中包含的參數(shù)。

從 SD 卡讀取數(shù)據(jù)塊

從SD卡讀取數(shù)據(jù)塊非常簡(jiǎn)單。主機(jī)發(fā)出 READ_SINGLE_BLOCK 命令，并將起始字節(jié)地址作為參數(shù)。此地址必須與介質(zhì)上塊的開頭對(duì)齊。然后，SD 卡評(píng)估此字節(jié)地址，并使用 R1 命令回復(fù)進(jìn)行響應(yīng)。命令回復(fù)中指示超出范圍的地址。

如果從 SD 介質(zhì)完成讀取而沒有錯(cuò)誤，則會(huì)發(fā)送一個(gè)起始數(shù)據(jù)令牌，后跟固定數(shù)量的數(shù)據(jù)字節(jié)和兩個(gè)字節(jié)用于 CRC-16 校驗(yàn)和。如果 SD 卡遇到硬件故障或介質(zhì)讀取錯(cuò)誤，則不會(huì)發(fā)送啟動(dòng)數(shù)據(jù)令牌。相反，將發(fā)送錯(cuò)誤令牌并中止數(shù)據(jù)傳輸。

將數(shù)據(jù)塊寫入 SD 卡

寫入數(shù)據(jù)塊類似于讀取，因?yàn)橹鳈C(jī)必須提供與 SD 卡塊邊界對(duì)齊的字節(jié)地址。寫入塊大小必須等于 READ_BL_LEN，通常為 512 字節(jié)。通過(guò)發(fā)出 WRITE_BLOCK （24） 命令來(lái)啟動(dòng)寫入，SD 卡使用 R1 命令響應(yīng)格式響應(yīng)該命令。如果命令響應(yīng)指示寫入可以繼續(xù)，則主機(jī)將傳輸數(shù)據(jù)開始令牌，后跟固定數(shù)量的數(shù)據(jù)字節(jié)，并以發(fā)送數(shù)據(jù)的 CRC-16 校驗(yàn)和結(jié)束。SD 卡返回一個(gè)數(shù)據(jù)響應(yīng)令牌，指示接受或拒絕要寫入的數(shù)據(jù)。

如果數(shù)據(jù)被接受，SD卡在卡繁忙時(shí)將DO線持續(xù)保持低電平。主機(jī)沒有義務(wù)在繁忙時(shí)段保持卡選擇低電平，如果 CS 被取消斷言，SD 卡會(huì)釋放 DO 線路。當(dāng)多個(gè)器件連接到SPI總線時(shí)，此過(guò)程非常有用。主機(jī)可以等待 SD 卡釋放忙音指示，也可以通過(guò)定期斷言芯片選擇來(lái)檢查卡。如果卡仍然繁忙，它將把 DO 線拉低以指示此狀態(tài)。否則，卡將 DO 線返回到空閑狀態(tài)（請(qǐng)參閱圖 7）。

圖7.從主機(jī)到 SD 卡的數(shù)據(jù)傳輸涉及更復(fù)雜的握手。

SPI 命令和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤檢測(cè)

CRC-7 和 CRC-16 校驗(yàn)和可用于檢測(cè)主機(jī)和 SD 卡之間通信中的錯(cuò)誤。錯(cuò)誤檢測(cè)允許在發(fā)生物理引起的錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)行可靠的錯(cuò)誤恢復(fù)，例如插入和移除過(guò)程中的觸點(diǎn)反彈或可拆卸介質(zhì)固有的不理想的觸點(diǎn)配接情況。強(qiáng)烈建議使用校驗(yàn)和，方法是使用參數(shù)中設(shè)置的最低位發(fā)出 CRC_ON_OFF （59） 命令。

清單 2.強(qiáng)烈建議啟用 CRC 校驗(yàn)和。

結(jié)論

SD介質(zhì)卡格式代表了一種緊湊、低功耗的非易失性存儲(chǔ)器解決方案，適用于嵌入式系統(tǒng)。通過(guò)使用MAXQ2000微控制器提供的硬件SPI支持，可以以很小的開銷訪問(wèn)SD介質(zhì)卡。Maxim提供的參考軟件演示了最小實(shí)現(xiàn)，其中包括從SD卡讀取模塊和向SD卡寫入模塊所需的基本操作。

審核編輯：郭婷