基于C8051F020的SD卡主控制器設計
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摘要： SD卡的外形和接口如圖1所示。根據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。
Abstract：
Key words :
1 引言
飛機飛行狀況監(jiān)測及數據采集儀．用于采集飛機試飛時的各種飛行數據，要求大量的存儲容量。在飛機回到地面后，需要方便地將采集數據傳輸到通用計算機上，以便作進一步的數據處理和分析。為了把采集的數據從采集系統(tǒng)傳輸到通用計算機內．在過去，是將數據存儲部分設計為可分離的一個存儲板，數據存儲板上設計有CPU和串口。將數據存儲板從數據采集系統(tǒng)上取下來，通過串口與通用計算機通信，將數據傳輸到通用計算機內。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，經常插拔存儲板降低整個采集系統(tǒng)的可靠性：第三，讀取數據的通用計算機需要安裝專用程序。此程序是專門開發(fā)用于通用計算機與數據存儲板之間的串口通信程序，增加了使用復雜性。SD/MMC卡是一種容量大(最大可達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中。目前，SD卡" title="SD卡">SD卡已大量用于數碼相機、MP3、手機與大容量存儲設備中。在本次飛行狀況監(jiān)測及數據采集儀的設計中，采集數據的存儲采用了SD卡。
2 硬件功能原理與設計
SD卡的外形和接口如圖1所示。根據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?？赏ǔ５膯纹瑱C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，而單片機多具有SPI總線，本文就利用SPI總線實現對SD卡的訪問。下面主要介紹SPI總線方式。
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)送的單向數據信號，DO(DataOut)為卡向主控制器發(fā)送的單向數據信號。SD卡的內部結構如圖2所示，SD卡內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。卡內存儲單元的讀，擦，寫由卡接口控制器根據主控制器的命令自動處理完成，而主控制器無須知道卡內是如何操作、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擔。SD卡內部有6個信息寄存器，用來設置和保存操作卡的關鍵信息，有兩個狀態(tài)寄存器，用來記錄操作卡的當前狀態(tài)。
采集儀的主控制器采用了C8051F020" title="C8051F020">C8051F020單片機。C8051F系列單片機與8051在指令上完全兼容，性能遠遠高于標準的8051單片機，片內除了具有8052的全部外設外．又擴展了豐富的外設，是一種名副其實的SOC (System On Chip)單片機。C8051F020能夠滿足數據采集功能外，還能很容易地實現SD卡的訪問。與SD卡系統(tǒng)相關的特性如下：
單片機內部采用流水線結構。指令運行速度高．指令運行速度比一般的80C51系列單片機提高了大約10倍． 可達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。除滿足數據采集需要外。有足夠的口線用于單片機與SD卡的連接。而且．這些口線可通過軟件進行配置，獲得不同的功能，其中SPI 接口，就是通過配置相關寄存器而獲得的。
具有可擴展的中斷系統(tǒng)。支持22個中斷源．2個優(yōu)先級，其中就包括SPI接口產生的中斷。
片內存儲器包括64KB的Flash、和4KB的XRAM。不需要擴展存儲器．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．可以使用內部時鐘．也可以使用外部時鐘。通過編程可以切換。
可實現通過JTAG接口的在系統(tǒng)調試。方便系統(tǒng)的開發(fā)。
C8051F系列單片機的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；可以工作在主機方式或從機方式；主機最大數據傳輸速率(位/秒)是系統(tǒng)時鐘頻率的1/2．因而最高可達10Mb/s；SPI位傳輸速率可通過編程選擇；發(fā)送結束設置中斷標志．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；具有寫沖突保護和總線競爭保護。
對于C8051F020的SPI系統(tǒng)．首先通過設置I/O端口功能選擇開關控制寄存器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據發(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的數據寄存器，用于發(fā)送和接受SPI數據。
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卡當前是否設置寫保護．寫保護時該引腳為高電平，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卡進入不確定狀態(tài)時，可以通過對卡重新上電復位而無需拔出卡。
3 軟件設計
軟件設計思想是，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。第二層是實現訪問SD卡的命令層，第三層是應用層，提供給用戶或文件系統(tǒng)的接口函數。
硬件抽象層包括訪問SD卡的硬件環(huán)境配置、SPI接口實現通訊的基本函數以及SPI中斷的處理。硬件環(huán)境配置包括硬件初始 化、以及內存變量初始化等。如將C8051F020的I/O端口配置為SPI接口的相關設置、C8051F020的SPI接口性能的設置、SD卡的上電與斷開、SD卡插入是否到位檢測、SD卡內部寄存器特定參數設置等等。又如C8051F020的SPI接口性能的設置,包括主/從工作方式設置、SPI通訊頻率設置等等,這些內容都與硬件有關。SPI接口實現通訊的基本函數，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，這是所有SPI通訊的基礎。SPI中斷處理是SPI接口產生中斷時．中斷服務程序被自動調用，在中斷服務程序中，讀取SPI控制寄存器。這里存放著產生中斷的各種狀態(tài)標志，根據不同的狀態(tài)標志，調用不同的函數處理。
命令層，就是調用硬件抽象層的基本發(fā)送接收字節(jié)函數，實現SD卡所有SPI協(xié)議規(guī)定的命令．完成對SD卡的訪問。根據SD卡協(xié)議，訪問SD卡的不同功能，由不同的命令實現。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，每個命令都由主機主動發(fā)送。高位在前低位在后，SD卡收到命令后．根據不同的命令做出不同的響應。主機發(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，長度為4字節(jié)，不同的命令對應不同的命令參數值。SD卡的響應有4種格式，分別為R1、R1B、R2和R3格式。主機發(fā)送命令并讀取響應形成一個完整的命令實現過程。
表2 SPI模式命令格式
字節(jié)6 字節(jié)2～5 字節(jié)1
0 1 Command Parameter(高位在前) CRC 1
應用層函數提供客戶程序訪問SD卡的高級接口函數．使客戶不需要知道SD卡的內部結構和命令內容、不需要知道SPI的接口協(xié)議等基本內容，客戶程序只需要簡單地調用接口函數了解SD卡的當前狀態(tài)、讀取自己需要的內容或寫入自己的內容。應用層程序是在命令層基礎上的更高抽象，調用命令層函數實現。這些函數包括讀數據、寫數據、擦除數據、返回卡狀態(tài)、返回卡內存儲空間使用狀況等函數。
4 結論
本文作者的創(chuàng)新點是，將SD卡存儲方式運用到飛機飛行數據采集系統(tǒng)，簡化了采集系統(tǒng)的設計，減小了系統(tǒng)尺寸，提高了系統(tǒng)的可靠性，使采集數據的讀出變得簡單易行。由于原有數據采集系統(tǒng)，采用8051單片機作主控制器，本次設計選用與8051完全兼容的高性能單片機C8051F020。既繼承了原有采集系統(tǒng)的設計，又滿足了訪問SD卡的功能要求，加快了整個系統(tǒng)的設計進程。
飛機飛行狀況監(jiān)測及數據采集儀．用于采集飛機試飛時的各種飛行數據，要求大量的存儲容量。在飛機回到地面后，需要方便地將采集數據傳輸到通用計算機上，以便作進一步的數據處理和分析。為了把采集的數據從采集系統(tǒng)傳輸到通用計算機內．在過去，是將數據存儲部分設計為可分離的一個存儲板，數據存儲板上設計有CPU和串口。將數據存儲板從數據采集系統(tǒng)上取下來，通過串口與通用計算機通信，將數據傳輸到通用計算機內。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，經常插拔存儲板降低整個采集系統(tǒng)的可靠性：第三，讀取數據的通用計算機需要安裝專用程序。此程序是專門開發(fā)用于通用計算機與數據存儲板之間的串口通信程序，增加了使用復雜性。SD/MMC卡是一種容量大(最大可達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中。目前，SD卡" title="SD卡">SD卡已大量用于數碼相機、MP3、手機與大容量存儲設備中。在本次飛行狀況監(jiān)測及數據采集儀的設計中，采集數據的存儲采用了SD卡。
2 硬件功能原理與設計
SD卡的外形和接口如圖1所示。根據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?？赏ǔ５膯纹瑱C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，而單片機多具有SPI總線，本文就利用SPI總線實現對SD卡的訪問。下面主要介紹SPI總線方式。
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)送的單向數據信號，DO(DataOut)為卡向主控制器發(fā)送的單向數據信號。SD卡的內部結構如圖2所示，SD卡內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。卡內存儲單元的讀，擦，寫由卡接口控制器根據主控制器的命令自動處理完成，而主控制器無須知道卡內是如何操作、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擔。SD卡內部有6個信息寄存器，用來設置和保存操作卡的關鍵信息，有兩個狀態(tài)寄存器，用來記錄操作卡的當前狀態(tài)。
采集儀的主控制器采用了C8051F020" title="C8051F020">C8051F020單片機。C8051F系列單片機與8051在指令上完全兼容，性能遠遠高于標準的8051單片機，片內除了具有8052的全部外設外．又擴展了豐富的外設，是一種名副其實的SOC (System On Chip)單片機。C8051F020能夠滿足數據采集功能外，還能很容易地實現SD卡的訪問。與SD卡系統(tǒng)相關的特性如下：
單片機內部采用流水線結構。指令運行速度高．指令運行速度比一般的80C51系列單片機提高了大約10倍． 可達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。除滿足數據采集需要外。有足夠的口線用于單片機與SD卡的連接。而且．這些口線可通過軟件進行配置，獲得不同的功能，其中SPI 接口，就是通過配置相關寄存器而獲得的。
具有可擴展的中斷系統(tǒng)。支持22個中斷源．2個優(yōu)先級，其中就包括SPI接口產生的中斷。
片內存儲器包括64KB的Flash、和4KB的XRAM。不需要擴展存儲器．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．可以使用內部時鐘．也可以使用外部時鐘。通過編程可以切換。
可實現通過JTAG接口的在系統(tǒng)調試。方便系統(tǒng)的開發(fā)。
C8051F系列單片機的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；可以工作在主機方式或從機方式；主機最大數據傳輸速率(位/秒)是系統(tǒng)時鐘頻率的1/2．因而最高可達10Mb/s；SPI位傳輸速率可通過編程選擇；發(fā)送結束設置中斷標志．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；具有寫沖突保護和總線競爭保護。
對于C8051F020的SPI系統(tǒng)．首先通過設置I/O端口功能選擇開關控制寄存器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據發(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的數據寄存器，用于發(fā)送和接受SPI數據。
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卡當前是否設置寫保護．寫保護時該引腳為高電平，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卡進入不確定狀態(tài)時，可以通過對卡重新上電復位而無需拔出卡。
3 軟件設計
軟件設計思想是，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。第二層是實現訪問SD卡的命令層，第三層是應用層，提供給用戶或文件系統(tǒng)的接口函數。
硬件抽象層包括訪問SD卡的硬件環(huán)境配置、SPI接口實現通訊的基本函數以及SPI中斷的處理。硬件環(huán)境配置包括硬件初始 化、以及內存變量初始化等。如將C8051F020的I/O端口配置為SPI接口的相關設置、C8051F020的SPI接口性能的設置、SD卡的上電與斷開、SD卡插入是否到位檢測、SD卡內部寄存器特定參數設置等等。又如C8051F020的SPI接口性能的設置,包括主/從工作方式設置、SPI通訊頻率設置等等,這些內容都與硬件有關。SPI接口實現通訊的基本函數，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，這是所有SPI通訊的基礎。SPI中斷處理是SPI接口產生中斷時．中斷服務程序被自動調用，在中斷服務程序中，讀取SPI控制寄存器。這里存放著產生中斷的各種狀態(tài)標志，根據不同的狀態(tài)標志，調用不同的函數處理。
命令層，就是調用硬件抽象層的基本發(fā)送接收字節(jié)函數，實現SD卡所有SPI協(xié)議規(guī)定的命令．完成對SD卡的訪問。根據SD卡協(xié)議，訪問SD卡的不同功能，由不同的命令實現。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，每個命令都由主機主動發(fā)送。高位在前低位在后，SD卡收到命令后．根據不同的命令做出不同的響應。主機發(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，長度為4字節(jié)，不同的命令對應不同的命令參數值。SD卡的響應有4種格式，分別為R1、R1B、R2和R3格式。主機發(fā)送命令并讀取響應形成一個完整的命令實現過程。
表2 SPI模式命令格式
字節(jié)6 字節(jié)2～5 字節(jié)1
0 1 Command Parameter(高位在前) CRC 1
應用層函數提供客戶程序訪問SD卡的高級接口函數．使客戶不需要知道SD卡的內部結構和命令內容、不需要知道SPI的接口協(xié)議等基本內容，客戶程序只需要簡單地調用接口函數了解SD卡的當前狀態(tài)、讀取自己需要的內容或寫入自己的內容。應用層程序是在命令層基礎上的更高抽象，調用命令層函數實現。這些函數包括讀數據、寫數據、擦除數據、返回卡狀態(tài)、返回卡內存儲空間使用狀況等函數。
4 結論
本文作者的創(chuàng)新點是，將SD卡存儲方式運用到飛機飛行數據采集系統(tǒng)，簡化了采集系統(tǒng)的設計，減小了系統(tǒng)尺寸，提高了系統(tǒng)的可靠性，使采集數據的讀出變得簡單易行。由于原有數據采集系統(tǒng)，采用8051單片機作主控制器，本次設計選用與8051完全兼容的高性能單片機C8051F020。既繼承了原有采集系統(tǒng)的設計，又滿足了訪問SD卡的功能要求，加快了整個系統(tǒng)的設計進程。
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