SD介质格式扩展了MAXQ2000的非易失性数据存储空间-电子发烧友网

本文演示如何使用安全数字（SD）介质格式扩展MAXQ2000的非易失性数据存储。

低功耗、低噪声MAXQ2000微控制器适用于多种应用。MAXQ2000将非易失数据存储在闪存中，具有32k字（64kB）闪存容量，与用户代码空间共享。但是，如果您的应用程序需要更多非易失性存储，该怎么办？本文演示如何使用安全数字（SD™）介质格式，以扩展MAXQ2000的非易失性数据存储。

外部存储的设计注意事项

应用的首要设计考虑因素是电源电压和电流要求。在典型的MAXQ2000应用中，采用双通道线性稳压器来运行处理器内核电压（VDD）以所选设计时钟速率所需的最低电压。The MAXQ2000 VDD电源可低至 1.8V。MAXQ2000上的I/O引脚由V供电迪奥，其允许的较低范围为 VDD上限为3.6V。外部存储的可接受电流消耗取决于电源的额定电流，如果是电池供电设备，则取决于电池系统的容量。

其次，用于连接外部存储器的MAXQ2000 I/O线数量必须保持在最低限度，同时仍能为预期应用提供足够的带宽。例如，Atmel AT29LV512 闪存芯片在与主机微控制器连接时需要 15 条地址线、2000 条数据线和 2000 条控制线。由于MAXQ<>没有外部地址/数据总线，因此在该示例中需要软件控制总线事务。对于某些应用，该方法不能有效利用MAXQ<>的I/O引脚。

SPI™和我2然而，基于 C 的外部闪存设备只需要三个或四个接口引脚。MAXQ2000具有硬件SPI模块，而2C必须由用户在MAXQ2000上软件中实现（即“位敲击”）。这种集成功能意味着SPI接口是访问外部非易失性存储器的主要途径。

SD 存储卡格式

SD介质格式是一种非易失性外部存储器，可满足许多应用的上述考虑因素。SD格式是“多媒体卡”格式或MMC的继承者。SD卡存储器通常采用3.3V电源供电，电流要求适中。SD卡容量范围从几兆字节到最大容量4GB。这种广泛的可用尺寸为许多应用提供了充足的外部存储空间。

乍一看，SD似乎不能轻易与MAXQ2000连接，因为前者专有的共享总线。但是，SD继承了MMC的辅助总线格式SPI。因此接口很简单，因为MAXQ2000包含对SPI的硬件支持。

图1.MAXQ2000可轻松连接至SD存储卡。

图1所示为典型应用电路。SD 卡需要全双工 8 位 SPI 操作。数据从MAXQ2000的MOSI引脚输入卡的DI引脚，从卡的DO线进入MAXQ2000的MISO引脚。数据在CLK线的上升沿同时输入和传出卡。每笔交易结束时必须提供八个额外的时钟，以允许SD卡完成任何未完成的操作。这些额外时钟期间的输入数据必须全部为 400。在识别阶段，时钟速率必须限制为最大25kHz，但一旦识别SD卡，时钟速率可以增加到<>MHz。

MAXQ2000 SPI模块

MAXQ2000包含一个硬件SPI模块，易于配置为SD卡接口。为了配置时钟极性和数据长度，SPICF寄存器被编程为全零。这将SPI模块配置为在上升时钟边沿锁存数据，并将数据长度设置为2000位。对于该应用，MAXQ16的系统时钟频率为0MHz。在这种情况下，SPICK寄存器被编程为28x380，从而产生大约<>kHz的SPI时钟。必须通过设置 SPICN 寄存器的两个较低位来启用 SPI 主模式。

标清 SPI 数据格式

SD 卡的 SPI 协议类似于其 SD 总线协议。没有数据要发送的卡不会在每个时钟边沿从SD卡的DO引脚接收有效数据，而是将DO引脚保持在所有时钟边沿的空闲状态。当卡有数据要发送回主机时，在数据之前发送起始位为零的专用令牌。从SD卡传输的所有数据都会在这些令牌之后立即发送，并且长度固定。由于接收方事先知道预期的字节数，因此响应中不包含长度字节。此外，由于在发送启动令牌和数据之前不会发生空闲状态，因此所有数据字节都将原封不动地传输，并且没有前缀。与总线上的所有其他流量一样，令牌在 SPI 事务的 8 位边界上对齐。从主机到卡的命令和数据遵循类似的格式，所有 7 都表示空闲总线。除状态令牌之外的所有事务都受附加到数据末尾的循环冗余校验（CRC）代码的保护。提供了两种CRC算法：CRC-16用于短数据块，CRC-<>用于较长的数据块。CRC 是 SD SPI 接口的可选部分，但应用于保证数据完整性，除非应用限制阻止其使用。

循环冗余校验

CRC算法通常用于检测由不可靠的通信信道引起的错误。特定CRC的选择取决于要保护的数据大小。对于标清介质，指定了CRC-7和CRC-16。

CRC算法将受保护的数据除以选定的除数并产生余数。由于算法中使用的多项式数学，这种除法是在没有进位逻辑的情况下完成的。由于不需要进位，因此可以通过逻辑异或运算完成除法。选定的除数通常称为CRC多项式。然后，生成的余数与数据一起传输，接收器可以使用该余数来检查数据在传输过程中是否未损坏。

对于CRC-7，余数可以使用软件中的7位移位寄存器进行计算。此移位寄存器在计算开始时初始化为所有零。当受保护数据的每个位（MSB优先）移入移位寄存器的LSB时，移位寄存器的MSB被移出并检查。如果刚刚移出的位是 7，则移位寄存器的内容通过 XOR 与 CRC-0 多项式值 09x7 进行修改。如果移出移位寄存器的位为零，则不执行异或。一旦受保护数据的最后一位被移入并且条件异或完成，就必须以类似的方式再移入七个零。此过程称为增强，并完成多项式除法。此时，可以直接从移位寄存器读取CRC-<>值。

图2.CRC-7可以使用移位寄存器架构进行计算。

当接收器拥有所有受保护的数据时，接收器可以计算受保护数据的CRC-7值，并将其与接收到的CRC-7值进行比较。如果值不同，接收方知道受保护的数据在传输过程中已损坏。如果值匹配，接收方可以高度确定地知道数据完整性不会受到通信信道的影响。

CRC-16算法可以用同样的方式构建。在这种情况下，移位寄存器的长度为16位而不是7位，多项式值更改为0x1021，输入数据增加了16个零位。

SD 命令格式

命令以6字节格式发送到卡（图3）。命令的第一个字节可以通过使用十六进制6x0对 40 位命令代码进行 OR 运算来构造。接下来的四个字节提供单个 32 位参数（如果命令需要）;最后一个字节包含字节 7 到 1 的 CRC-5 校验和。表 1 列出了重要的 SD 命令。

图3.SPI 模式 SD 命令以 6 字节格式发送到卡。

命令	记忆	论点	答	描述
0 （0x00）	GO_IDLE_STATE	没有	R1	重置 SD 卡。
9 （0x09）	SEND_CSD	没有	R1	发送特定于卡的数据。
10 （0x0a）	SEND_CID	没有	R1	发送卡标识。
17 （0x11）	READ_SINGLE_BLOCK	地址	R1	读取字节地址处的块。
24 （0x18）	WRITE_BLOCK	地址	R1	在字节地址处写入块。
55 （0x37）	APP_CMD	没有	R1	应用程序命令的前缀。
59 （0x3b）	CRC_ON_OFF	仅位 0	R1	参数将 CRC 设置为（1）或关闭（0）。
41 （0x29）	SEND_OP_COND	没有	R1	启动卡初始化。

在 SPI 模式下初始化 SD 卡

上电时，SD 卡默认采用专有的 SD 总线协议。要将卡切换到 SPI 模式，主机发出命令 0 （GO_IDLE_STATE）。SD 卡通过观察卡选择（CS）引脚在GO_IDLE_STATE命令期间保持低电平来检测 SPI 模式选择。卡以响应格式R1响应（图4）。空闲状态位设置为高，表示卡已进入空闲状态。为了保持与MMC卡的兼容性，在此阶段SPI时钟速率不得超过400kHz。

图4.响应格式 R1 指示发出的命令成功或失败。

现在 SD 卡处于 SPI 模式，SD 规范要求主机先发出初始化命令，然后才能处理任何其他请求。为了区分 MMC 和 SD 卡，SD 卡实现了 MMC 卡不响应的备用初始化命令。向卡发送命令 55 （APP_CMD）后跟应用程序命令 41 （SEND_OP_COND）即可完成此重要步骤。MMC 卡不响应命令 55，该命令可用于拒绝 MMC 卡作为无效介质。重复此命令序列，直到来自卡的R1响应中的所有位都为零（即空闲位变低）。

清单 1.代码必须使用 SEND_OP_COND 标识 SD 和 MMC 卡。

SD 卡包含几个重要的寄存器，这些寄存器提供有关 SD 卡的信息。最重要的寄存器是卡特定数据寄存器（CSD）。对于我们的示例应用程序，我们对内存的块大小和总大小感兴趣。我们还必须注意卡识别数据寄存器（CID），因为它包含有关卡制造商和序列号的详细信息。图 5 显示了 CSD 和 CID 寄存器的布局。

图5.CSD 和 CID 寄存器提供有关 SD 卡的信息。

检查 SD 卡响应

要从卡中读取卡寄存器或块，我们必须首先了解卡如何响应我们的查询。在 SPI 模式下，SD 卡使用 R9 格式回复命令SEND_CSD （10）、SEND_CID （17）和READ_SINGLE_BLOCK （1）。接下来是开始令牌、请求的数据，最后是数据的 CRC-16 校验和。我们不能假设 R1 回复和数据启动令牌一个接一个地立即发生，因为总线可以在这两个事件之间进入空闲状态一段时间。图 6 详细介绍了数据响应。

图6.从 SD 卡到主机的数据传输以启动令牌为前缀。

读取惩教署和国际舞蹈委员会寄存器元数据

SEND_CSD 和 SEND_CID 命令发回用于确定 SD 卡参数的寄存器内容。这些命令返回固定数量的字节，分别对应于 CSD 或 CID 寄存器的大小。这些 SEND 命令的 SD 卡将忽略命令字节中包含的参数。

从 SD 卡读取数据块

从SD卡读取数据块非常简单。主机发出 READ_SINGLE_BLOCK 命令，并将起始字节地址作为参数。此地址必须与介质上块的开头对齐。然后，SD 卡评估此字节地址，并使用 R1 命令回复进行响应。命令回复中指示超出范围的地址。

如果从 SD 介质完成读取而没有错误，则会发送一个起始数据令牌，后跟固定数量的数据字节和两个字节用于 CRC-16 校验和。如果 SD 卡遇到硬件故障或介质读取错误，则不会发送启动数据令牌。相反，将发送错误令牌并中止数据传输。

将数据块写入 SD 卡

写入数据块类似于读取，因为主机必须提供与 SD 卡块边界对齐的字节地址。写入块大小必须等于 READ_BL_LEN，通常为 512 字节。通过发出 WRITE_BLOCK （24）命令来启动写入，SD 卡使用 R1 命令响应格式响应该命令。如果命令响应指示写入可以继续，则主机将传输数据开始令牌，后跟固定数量的数据字节，并以发送数据的 CRC-16 校验和结束。SD 卡返回一个数据响应令牌，指示接受或拒绝要写入的数据。

如果数据被接受，SD卡在卡繁忙时将DO线持续保持低电平。主机没有义务在繁忙时段保持卡选择低电平，如果 CS 被取消断言，SD 卡会释放 DO 线路。当多个器件连接到SPI总线时，此过程非常有用。主机可以等待 SD 卡释放忙音指示，也可以通过定期断言芯片选择来检查卡。如果卡仍然繁忙，它将把 DO 线拉低以指示此状态。否则，卡将 DO 线返回到空闲状态（请参阅图 7）。