Freescale KL26 SD卡读写程序

   在实际项目开发中经常会用到SD卡存储数据，Kinetis  单片机操作SD卡有两种接口，一个是SDHC接口，另外就是普通的SPI接口（对于不带SDHC的MCU可以选择SPI）。

   本篇博客硬件以Kinetis KL26为基础介绍SD卡的使用，最后实现的Demo是一个SD卡USB读卡器的功能，它同时包括了USB和文件系统部分。

   先了解一下SD卡和Micro SD卡的基本常识：

    SD卡是SecureDigital Card卡的简称，直译成汉语就是“安全数字卡”，是1999年由日本松下公司、东芝公司和美国SANDISK公司共同开发研制的全新的存储卡产品。SD存储卡是一个完全开放的标准（系统），多用于MP3、数码摄像机、数码相机、电子图书、AV器材等等。

　MicroSD卡（这家伙原名叫TF卡（Trans-Flashcard），2004年改的名，原来不仅人名可以改，这玩意也改名~~），是一种极细小的快闪存储器卡，由著名的存储厂商闪迪（SanDisk）公司发明创立。这种卡主要于手机使用，但因它拥有体积极小的优点，随着不断提升的容量，它慢慢开始于GPS设备、便携式音乐播放器和一些快闪存储器盘中使用。

   那么这两种卡到底有什么区别呢？其实从这哥俩的名字就能看出一些端倪，MicroSD是在SD的前面加了一个Mirco，哦哦，Micro，那就是更小的SD喽。对的，其实SD卡与MicroSD卡在功能上没区别，MicroSD卡就是SD卡的微型版，也可以看作是升级版本，既然它们关系如此密切，所以在MicroSD卡外面加个卡套（专业一点是叫做adapter，适配器），就可以把MicroSD当作SD卡来使用了。如下图所示，将右侧MicroSD卡插入左侧卡套中，之后再插入电脑SD卡槽中，就可以使用把它当作U盘来使用了。

    再多说两句，你应该还听说过MMC卡，它的全称叫做Multimedia Card)，翻译成中文为“多媒体卡”。在1997年由西门子及SanDisk共同开发的。这玩意和SD卡又有什么关联呢？SD卡的技术是基于MMC上发展而来的，它们区别在于初始化过程不同。

OK，下面看一下SD卡和Micro SD的引脚定义：

                             

SD卡的内部结果如下：

     上图需要说明的是，SD卡和micro SD卡支持两种操作模式，分别为SD模式和SPI模式， SD模式速度快，安全性好，不过它需要引脚多而且主要是驱动起来复杂，当然有些MCU会自带SD模式的硬件接口，这样就方便多了，而SPI模式就方便许多了，虽然速度上没有SD模式快，不过很多MCU都自带SPI硬件资源，这样使用起来就比较方便，如果MCU不带SPI硬件接口的话，就需要使用IO口去模拟了。

    上面两张图看着有点头晕，再来一张看起来简单一点的图：

   

  再来对比一下它们引脚之间的关系，

 

  可以发现Micro SD卡只是比SD卡少了一个VSS  引脚，这更加证明了这两个卡时如此的关系密切。。

  了解这些概念之后，我们就开始用MCU来控制它了。首先看一下SD卡硬件电路部分:

SPI下电路的连接非常简单，接上电源线Vdd和地线Vss，再接上SPI的CS，SCLK，DI（MOSI）和DO（MISO）就可以了，其他引脚可以放空。注意SD卡的电源和操作电压都为2.7-3.6V，如果使用5V的单片机要进行电平转换或串电阻限流。还有记得SD卡的CS，SCLK和DI要用10~100K的电阻上拉，下图是SD卡的一个连接示意图，对于MicroSD卡一样的接法，只是注意下引脚的不同就行了。

   由于本实验是在YL-KL26开发板上进行的，该板子是优龙公司做的，链接如下：http://www.ucdragon.cn/product/showproduct.php?lang=cn&id=14，淘宝网址为：

http://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1.w137644-2186920978.41.JbpFWl&id=36763794750  ，售价99RMB，还挺便宜，记得我大学那会买了一个51开发板还一百多元呢。

所以让我们来看一下此开发板上Micro SD卡部分的原理图：

   

 这张图有一点困惑了我老半天，那就是9脚nCD是什么玩意？刚开始我一直以为J5是一个将TF卡转换为SD卡的卡套，因为看到左侧有9个引脚，就想当然的这么认为了，结果怎么也搞不明白9脚nCD是什么功能？后来才恍然明白，J5只不是一个TF卡的卡座而已，直接上图，这玩意如下：

 

你如果数一数它最下侧引脚数目的话，会发现有9个引脚，这是怎么回事？之前明明说TF卡只有8个引脚，那么多出来的这个引脚是怎么回事？原来多出来的这个CD引脚具有这样的功能，平时卡座不插卡的时候，它和GND脚是断开的，当插入卡时，它就和GND连在一起了。CD原来是CardDetection的意思。可以通过这个这个脚来检测有没有卡插入。

这个卡座的引脚定义如下，pin1到pin8的定义和TF卡的引脚定义是一样的，就是多了9脚.

硬件明白之后，下面就开始看软件部分了。

下面就来具体分析一下如何初始化及读写TF卡。

操作SD卡，本质是给它发送一系列的命令，SD卡的命令格式如下：

    它由6 个字节组成，字节1 的最高2 位固定为01，低6 位为命令号（比如CMD16，为10000，完整的CMD16，第一个字节为01010000）。字节2~5 为命令参数，共4个字节，并不是所有命令都有参数，没有参数的话该位一般就置0。最后一个字节由7bit CRC校验位和1bit停止位（该位固定为1）组成。在SPI模式下，CRC是被忽略的，可以都置1或置0.但是发送CMD0时要记得加上CRC，即最后1字节为0x95（因为发送CMD0时还未进入SPI模式，PS：CMD8也要，但一般大家都把发送CMD8省略了）。

每次发送完一次命令后，SD卡都会有回应。SD卡的回应有多种格式，1字节的R1，2字节的R2等，下面先介绍R1的格式：

    向SD卡写入一个CMD或者ACMD指令的过程是这样的： 首先使CS为低电平，SD卡使能；其次在SD卡的DI写入指令；写入指令后还要附加8个填充时钟，使SD卡完成内部操作；之后在SD卡的DO上接受回应；回应接受完毕使CS为高电平，再附加8个填充时钟。

初始化的典型流程如下：

1、初始化与 SD 卡连接的硬件条件（MCU 的 SPI 配置，IO 口配置）；

2、拉高片选，上电延时（>74 个 CLK）；

3、选择片选，发送CMD0命令 ，进入 IDLE状态；

4、发送 CMD8，检查是否支持 2.0 协议；

5、根据不同协议检查 SD 卡（命令包括：CMD55、CMD41、CMD58 和 CMD1 等）；

6、取消片选，发多 8 个 CLK，结束初始化。

也可以用一张图来表示整个初始化过程：

   拉高CS，发送至少74个clk周期是为了使SD卡达到正常工作电压和进行同步，原因是SD卡内部有个供电电压上升时间，大概为64个CLK，剩下的10个CLK用于SD卡同步，之后才能开始CMD0的操作，在卡初始化的时候，CLK时钟最大不能超过400Khz！

发送CMD0，需要收到回应0x01表示成功进入idle状态，这由上述R1的格式可以看出来。

上述2，3过程可用下图来表示，发送CMD0指令的过程也称为Reset过程。

对于4，发送CMD8，发的格式如下：

注意CMD8 不同于CMD0，它是有参数的，需要在参数中指定VHS位和Check Pattern。

它返回5个字节的R7，返回格式如下：

接收到的第一个字节和R1是一样的，如果为0x01，表示SD卡响应了CMD8命令，此卡为V2.0版本，如果不为0x01（一般会是0x05或者0x09），表示SD卡不支持CMD8命令，此卡为V1.0卡或者MMC卡。

31-28 command version 为 命令号，这里为1000，表示CMD8

27-12 为保留位 值为0000h

11-8 为接收的电压范围

7-0 为发送CMD8 带过来的参数值

对于V2.0版本，后续还会收到4个字节，这里只需要关注最后两字节，8-11表示SD卡支持的电压范围，此处应该得到0001，最后一字节在发送CMD8指令时发来的数据，在程序中我们调用r1= SDSendCmd(CMD8,0x000001aa,0x87);这里应该收到aa.

如果CMD8收到的第一个字节不是0x01的话，就不用再读后续的三个字节了。

 

   对于5，如果是V2.0卡那么流程如下：不断发送CMD55+ACMD41，CMD55 表示下一条要发送的指令是应用相关指令ACMD，它的返回格式是R1格式。

ACMD41的说明如下，它用来发送卡容量支持信息并激活SD的初始化过程。

它的返回值为R1格式，R1的最低位（In Idle State）用来表示是否初始化完成，如果为1表示SD卡仍然在初始化之中，如果为0表示初始化完成。

初始化完成之后就可以通过CMD58指令来获取CCS信息，如果CCS=0，表示是SDSD；如果CCS=1，表示是SDHC或者SDXC。

CMD58 是读OCR寄存器的值。

它的返回值为R3。

先发送CMD55，在收到0x01之后，再发送ACMD41，直到收到0x00表示V2.0初始化成功，进入Ready状态。再发送CMD58命令来判断是HCSD还是SCSD，到此SD2.0卡初始化成功。SD卡按容量的大小可以分为SC、HC 、XC三种类型，如下表所示：

      需要注意的是：SD卡和SDHC 卡协议基本兼容，但是SDXC 卡，同这两者区别就比较大了，我们讨论的主要是SD/SDHC 卡 。

 对于5， 如果CMD8返回错误，表示不支持V2.0卡，则进一步判断为1.0卡还是MMC卡，方法循环发送CMD55+ACMD41，返回无错误，则为SD1.0卡，到此SD1.0卡初始化成功，如果在一定的循环次数下，返回为错误，则进一步发送CMD1进行初始化，如果返回无错误，则确定为MMC卡，如果在一定的次数下，返回为错误，则不能识别该卡，初始结束。

 

总结：一个完整的驱动是应该包括上述所有过程的，CMD0是必须要发送的，CMD8用来区分是否为V2.0卡，如果是V2.0，再发送CMD55+ACMD41 来确认初始化是否成功，CMD58用来区分卡容量大小。所以对于V2.0卡，完整的驱动应该包括CMD0，CMD8，CMD55+ACMD41，CMD58 这几个命令。对于V1.0卡，需要CMD0，CMD8，CMD55+ACMD41命令。对于MMC卡，需要CMD0，CMD1命令。

 

 

初始化完成之后，就可以进行读写操作了。

SD卡读单块和多块的命令分别为CMD17和CMD18，它们的参数即要读的区域的开始地址。因为考虑到一般SD卡的读写要求地址对齐，所以一般我们都将地址转为块，并以扇区（块）（512Byte）为单位进行读写，比如读扇区0参数就为0，读扇区1参数就为1<<9(即地址512），读扇区2参数就为2<<9(即地址1024），依此类推。

   读单块方法：

   1.发送CMD17，收到0x00表示成功

   2.连续读直到读到开始字节0xFE

   3.读512个字节

   4.读两个CRC字节

   读单块时序图：

 

读多块方法：

   1.发送CMD18读，收到0x00表示成功

   2.连续读直到读到开始字节0xFE

   3.读512字节

   4.读两个CRC字节

   5.如果还想读下一扇区，重复2-4

   6.发送CMD12来停止读多块操作

 

写单块和多块：

   SD卡用CMD24和CMD25来写单块和多块，参数的定义和读操作是一样的。

   写单块方法：

   1.发送CMD24，收到0x00表示成功

   2.发送若干时钟

   3.发送写单块开始字节0xFE

   4.发送512个字节数据

   5.发送2字节CRC（可以均为0xff）

   6.连续读直到读到XXX00101表示数据写入成功

   7.继续读进行忙检测（读到0x00表示SD卡正忙），当读到0xff表示写操作完成

写单块时序图：

写多块方法：

   1.发送CMD25，收到0x00表示成功

   2.发送若干时钟

   3.发送写多块开始字节0xFC

   4.发送512字节数据

   5.发送两个CRC（可以均为0xff）

   6.连续读直到读到XXX00101表示数据写入成功

   7.继续读进行忙检测，直到读到0xFF表示写操作完成

   8.如果想读下一扇区重复2-7步骤

   9.发送写多块停止字节0xFD来停止写操作

   10.进行忙检测直到读到0xFF

初始化一旦正确完成，就成功了一大半了。

在实际调试SD 卡的过程中，我遇到过很多的问题，在此做个总结：

1) SD卡初始化流程问题：我相信这是困惑很多人的一个问题，因为网上众说纷纭而且代码也是不太一样，其实最标准的流程在 SD卡的规范里：SD card Specification 下载  

2) 使用SPI接口调试SD 卡，首先要保证SPI是可以正常工作的，如果SPI无法工作，那SD card 肯定无法工作了。所以第一步可以用示波器观察SPI是否工作正常。

3) SPI 片选信号的控制需要十分注意： 就是该拉高的时候需要拉高，该拉低的时候需要拉低。否则有可能无法正常通讯。

比如下面的读CID寄存器的时序，是要求CS一直拉低的，如果你不注意在发送CMD10指令后拉高了，紧接再拉低读数据那么就有可能读取不成功。

代码下载地址：

https://github.com/Wangwenxue/KL26_SDCard

下载后可以直接download到YL-KL26中，将FRDM_KL26的USB接口也接入电脑，电脑上就会映射出一个U盘出来，可以直接在电脑上像操作U盘一样操作SD卡。

参考内容：

http://blog.chinaaet.com/detail/25269

http://blog.csdn.net/ming1006/article/details/7281597

http://blog.csdn.net/ming1006/article/details/7283689

http://download.csdn.net/download/ming1006/4196053

http://www.cnblogs.com/gmh915/archive/2010/08/24/1945406.html

http://blog.sina.com.cn/s/blog_4f09c0b50101636h.html

http://blog.csdn.net/g_salamander/article/details/14167055

http://blog.163.com/lxy_fight/blog/static/2041580702012422111910662