51单片机读写SD_MMC卡设计报告

一、 总则

本文件介绍了在51平台通过SPI方式读写SD/MMC卡，包括软硬件需求, SD/MMC硬件连接, SPI接口软件模拟，SD/MMC上电初始化，写单块，读单块，写多块，读多块，块擦除，上位串口通讯协议，PC上位软件操作说明等。

二、 软硬件需求

a) 单片机固件编译环境：Keil C51 uVision2

b) PC上位软件编译环境：Visual C++ 6.0

c) 硬件环境：1)W78E52B一片；

2)SD/MMC卡插座一个；

3)MAX232一片；

4)cross串口线一条；

三、 SD/MMC硬件连接

SD/MMC与51单片机引脚连接如下表1，供参考：

51单片机引脚	SD/MMC引脚
P1_0	SPI_CS (PIN1)
P1_1	SPI_SI(PIN2)
P1_2	SPI_SCK（PIN5）
P1_3	SPI_SO（PIN7）
	PIN4接VDD
	PIN3/6接GND

   表1 SD/MMC与51单片机引脚连接表

注意：SD/MMC引脚除VDD(PIN4)/VSS(PIN3/6)外，其它引脚连接上拉电阻（47k）至3.3v电源。

四、 SPI接口软件模拟

由于W78E52B没有集成硬件SPI接口，所以固件需要通过软件来模拟实现SPI接口；

a) SPI接口基本原理：SPI采用HOST/SLAVE结构，HOST与SLAVE以字节为传输单位,支持4种模式； SPI接口定义有4个引脚CS,SI,SO,SCK；SD SPI接口工作于模式0,各引脚功能分别描述如下：

1) CS为片选引脚，低电平为有效；

2) SI为Host输出Slave输入引脚，空闲为高电平，SCK上升有效,；

3) SO为Slave输出Host输入引脚，SCK下降有效；

4) SCK为同步时钟；

b) SPI HAL：包括4个函数，上层软件通过调用这4个函数，来实现与SD/MMC以SPI方式进行数据交换。

1) SPI_SendByte(INT8U onebyte)――以SPI方式向SD/MMC发送一个字节

2) INT8U SPI_RecByte(void)――以SPI方式从SD/MMC接收一个字节

3) SPI_CS_Assert(void)――将CS引脚置为低电平有效

4) SPI_CS_Deassert(void)――将CS引脚置为高电平无效

c) 通过SPI HAL发送的RESET命令CMD0波形图，如下图1，以供参考：

图1-RESET命令CMD0波形图

一、 SD/MMC上电初始化

当SD/MMC卡上电后，单片机需要对其进行上电初始化，上电初始化步骤顺序所列如下：

1) 置CS为低，至少延时74个CLK，延时波形图，如图2，以供参考：

图2-延时波形图

1) 发送RESET命令CMD0，其波形图参考图1：

2) 发送命令CMD1(SD卡使用命令ACMD41)激活SD/MMC卡, 固件需重复发送命令CMD1直到R1 idle state位为0。

3) 发送命令CMD58，读卡OCR寄存器。

4) 发送命令CMD9，读卡CSD寄存器,获得SD/MMC的基本参数：1)块最大的长度；2)
卡中块的个数；等

一、 写单块

1) 发送命令CMD24。

2) 接收R1响应。

3) 发送Data Tokens(Single Block Write: 0xfe)。

4) 发送一个block（一般为512个字节）。

5) 发送两个CRC16码。

6) 循环接收数据，等待写完成，直到写完成接收到0xff。

二、 读单块

1)发送命令CMD17。

2)接收R1响应。

3)等待Data Tokens(Single Block Read: 0xfe)。

4)接收一个block（一般为512个字节）。

5)接收两个字节CRC16码。

三、 写多块（Open ended）

1) 发送命令CMD25。

2) 接收R1b响应。

3) 发送Data Tokens(Single Block Write: 0xfe)。

4) 发送一个block（一般为512个字节）。

5) 发送两个字节CRC16码。

6) 循环接收数据，等待写完成，直到写完成接收到0xff。

7) 重复步骤3，继续发送下一个数据包，直到所有数据包发送完成，至步骤8继续。

8) 发送命令CMD12,数据传输结束。

9) 接收R1b响应。

四、 读多块（Open ended）

1) 发送命令CMD17。

2) 接收R1响应。

3) 等待Data Tokens(Single Block Read: 0xfe)。

4) 接收一个block（一般为512个字节）。

5) 接收两个字节CRC16码。

6) 重复步骤3，继续接收下一个数据包，直到接收所有数据包完成后，至步骤7继续。

7) 发送命令CMD12,数据传输结束。

8) 接收R1b响应。

五、 多块擦除

SD/MMC最大支持一次删除一个Erase Group大小的连续块，SD/MMC的Erase Group大小不是固定的，其大小指定在SD/MMC卡的CSD寄存器内，在上电初始化阶段，HOST可以使用命令CMD9来读取SD/MMC卡的CSD寄存器；一般多块删除时，对于上层软件将要删除EraseBlockNum个块,在具体执行删除任务时，开始固件可以逐个Erase Group进行连续删除，最后不足一个Erase Group的连续块，也可以一起删除。总之，删除连续多块（Erase Group或不足一个Erase Group）时使用的是相同的步骤，如下：

1) 发送擦除起始块地址命令CMD32。

2) 接收R1响应。

3) 发送擦除终止块地址命令CMD33。

4) 接收R1响应。

5) 发送命令CMD38擦除所选的块。

6) 循环接收数据，等待删除完成，直到接收到0xff删除完成。

六、 上位串口通讯协议

a) 上位串口通讯协议是超锐微电子定义的串口通讯协议， 用于51单片机读写SD/ MMC卡平台与上位软件的通讯；该协议定义了两种设备：

1)主设备：上位软件；

        2)从设备: 51单片机平台；

b) 主设备和从设备都支持上位串口通讯协议，并基于该协议来完成命令处理与数据交换。上位串口通讯协议定义了两个执行阶段，分别是：

1) 命令阶段

2) 数据交换阶段；

c) 一次数据交换必须由主设备于命令阶段开始，主设备向从设备发送命令，从设备响应命令，双方进入数据交换阶段； 数据交换阶段以主设备发送不同命令，执行不同数据传输动作；数据传输动作分为以下三种：

1) 主设备向从设备发送数据（如，写单/多块命令）；

2) 主设备向从设备接收数据（如，读单/多块命令）；

3) 无数据传输（如，擦除命令）；

d) 上位串口通讯协议定义了一些命令，它们长度固定，为8个字节，其中第一个字节为命令代码，其后字节为命令参数；命令功能，代码，参数汇总于下表2：

命令功能	命令代码	参数1	参数2
SD/MMC初始化	0x0	无	无
读单块	0x1	读块号（Byte1-4）	无
写单块	0x2	写块号（Byte1-4）	无
块擦除	0x3	擦除起始块（Byte1-4）	擦除块数量（Byte5-7）
数据接收(主/从)	0x4	Data offset(Byte1-2)	无
数据发送(主/从)	0x5	Data offset(Byte1-2)	5个字节block有效数据
读多块	0x6	读多块起始块（Byte1-4）	读块总数（Byte5-7）
写多块	0x7	写多块起始块（Byte1-4）	写块总数（Byte5-7）
MMC向量测试	0x8	无	无
SD向量测试	0x9	无	无
建立连接	其它	无	无

表2—命令汇总表

e) 主设备与从设备之间进行数据传输，命令不同处理不同，各命令的数据传输分别描述：

1) 读单块命令――主设备发送读单块命令，命令从设备向SD/MMC卡读取一个数据块，块号指定在命令参数1中，命令被从设备接收后，由从设备向SD/MMC卡读取参数1指定的数据块；主设备通过发送数据接收(主/从)命令向从设备接收数据块有效数据，每发送一条命令，从设备返回8个字节，第0个字节数据接收命令代码,其余7字节为block有效数据。因些，主设备需发送共计（512/7）74条数据接收(主/从)命令，完成接收一个数据块有效数据（512个字节）。

2) 写单块命令――主设备发送写单块命令，命令从设备写一个数据块去SD/MMC卡，块号指定在命令参数1中，命令被从设备接收后，主设备通过数据发送(主/从)命令向从设备发送block有效数据，每发送一条命令，可以发送5个字节；命令长度为8个字节，其中第0个字节数据接收命令代码,1-2字节为data_offset,其余5字节为block有效数据。因些，主设备需发送（512/5）103条数据接收(主/从)命令，完成向从设备发送一个block有效数据（512个字节）。

3) 读多块命令――主设备发送读多块命令，命令从设备向SD/MMC卡读取指定的块数，起始块号指定在命令参数1中，参数2指定读块总数；数据块接收以块为单位，每个块有效数据接收使用与读单块命令接收数据块相同的方法，不同的只是需要重复相同的数据块接收步骤，直到参数2指定读块总数全部接收完成。

1. 写多块命令－－主设备发送写多块命令，命令从设备向SD/MMC卡写入指定的块数，起始块号指定在命令参数1中，参数2指定写块总数；数据块发送以块为单位，每个块有效数据发送使用与写单块命令发送数据块相同的方法，不同的只是需要重复相同的数据块发送步骤，直到参数2指定写块总数发送全部完成。

4) SD向量测试命令/MMC向量测试命令――主设备发送SD/MMC向量测试命令，命令从设备开始对MMC/SD卡进行向量测试，从设备开始向量测试，每完成一个向量（CMDxx）测试，就返回一条向量测试记录给主设备，由主设备将向量测试记录汇总成向量测试报告,汇总后的向量测试报告参考下图3。每条向量测试记录长度51个字节，主设备接收完一条向量测试记录后，需发送一个字节响应，从设备接收到这个字节响应，才继续下一个向量测试。

图3－向量测试报告

1) 其段它命令――无数据传输阶段

一、 PC上位软件操作说明

a) 用串口线将PC与51单片机平台完成连接，打开单片机电源。

b) 双击SD_Host.exe图标，运行PC上位软件。

a) PC上位软件运行后，其主界面见下图4，上位软件使用默认串口2，默认波特率38400bps， “连接AT89C52”按钮默认有效：

图4—PC上位软件主界面

a) 按“连接AT89C52”按钮，完成和51平台的串口连接。连接成功，则“初始化SD卡”按钮变为有效。

b) 按“初始化SD卡”按钮，对SD/MMC卡进行上电初始化。初始化SD卡成功，则读写擦框内的一些按钮变为有效，见下图5：

图5

a) SD/MMC卡初始化完成，则可以开始写单块，读单块，写多块，读多块等操作，下面对它们的操作步骤分别进行描述：

1) 写单块―首先在文本框“块地址”内输入块地址，编辑 “数据显示”文本框的数据；按“写单块”按钮将“数据显示”框的数据写入块内。写入成功，则 “执行结果”文本框里显示“SD卡写单块成功!”，参考图6：

图6—写单块参考图

1) 读单块―在 “块地址”文本框输入块地址，按“读单块”按钮读取块数据，读取成功后， “执行结果”文本框显示“SD卡读单块成功!”，“数据显示”框显示读取的数据。参考图7：

图7—读单块参考图

1) 写多块―在 “块地址”文本框输入块地址，在“块数”文本框输入读块总数；编辑 “数据显示”文本框的数据完成后按“写多块”按钮将“数据显示”框的数据写入连续块中。写入成功，则 “执行结果”文本框显示“SD卡写多块成功!”，参考图8：

图8—写多块参考图

1) 读多块―在 “块地址”文本框输入块地址，在“块数”文本框输入写总块数，按“读多块”按钮读取连续多块，读取成功后， 在“执行结果”文本框显示“SD卡读多块成功!”，“数据显示”框内显示读取的数据。参考图9：

图9—读多块参考图

1) 块擦除――按“擦除”按钮，出现对话框如图10；在“起始块地址”文本框输入擦除起始块号，在“块数量”文件框输入擦除块数量，完成后“擦除”按钮开始擦除操作，擦除完成， “执行结果”文本框将显示“SD卡擦除成功!”

图10—“擦除”对话框

1) SD/MMC向量测试――按“SD/MMC向量测试”按钮开始SD/MMC向量测试，测试结束，“执行结果”文本框显示“SD/MMC向量测试通过！”，可以按“保存向量测试报告”按钮，在保存“保存向量测试报告”对话框中输入文件名，按“保存”按钮将“向量测试报告”保存进入文件rep.txt。

图11--“保存向量测试报告”对话框

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