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摘要：本文討論如何使用安全數(shù)字(SD)媒體格式擴展MAXQ2000的非易失數(shù)據(jù)存儲器。
低功耗、低噪聲的MAXQ2000微控制器適合于多種應用。MAXQ2000在閃存中存儲非易失性數(shù)據(jù)，并和用戶代碼空間共享32k字(64kB)的閃存容量。但如果你的應用需要更多的非易失性存儲器怎么辦呢？這篇文章說明了如何使用安全數(shù)碼(SD?)存儲介質(zhì)來擴展MAXQ2000的非易失性數(shù)據(jù)存儲器。
其次，在保證能為目標應用提供足夠帶寬的前提下，應將連接外部存儲器的MAXQ2000 I/O數(shù)限制到最少。例如，Atmel的AT29LV512閃存芯片與一個主機微控制器連接時，需要15條地址線、8條數(shù)據(jù)線和3條控制線。由于MAXQ2000沒有外部地址/數(shù)據(jù)總線，在上述例子中，就需要由軟件來控制總線事務(wù)。對于某些應用來說，這種方法不能很有效地利用MAXQ2000的I/O引腳。
然而，基于SPI?和I2C的外部閃存器件只需要3到4個接口引腳。MAXQ2000具有一個硬件SPI模塊，而I2C在MAXQ2000上必須由用戶通過軟件實現(xiàn)(即"位模擬")。這種集成功能使得SPI接口成為訪問外部非易失性存儲器的主要途徑。
由于SD卡采用專有的共享總線，乍一看，似乎很難與MAXQ2000接口。然而，SD繼承了MMC的第二總線格式－SPI。由于MAXQ2000提供SPI硬件支持，連接非常容易。
圖1. MAXQ2000與SD存儲卡的接口非常簡單。
圖1的電路圖給出了一個典型應用電路。SD卡要求全雙工、8位SPI操作。數(shù)據(jù)從MAXQ2000的MOSI引腳同步輸入SD卡的DI引腳，并由SD卡的DO線同步輸入MAXQ2000的MISO引腳。數(shù)據(jù)在CLK信號的上升沿同步輸入和輸出。在每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪┪策€必須提供8個額外的時鐘，以允許SD完成任何未完結(jié)的操作。對應這些額外時鐘的輸入數(shù)據(jù)必須全為1。識別階段的時鐘頻率必須限定在400kHz以內(nèi)，但SD卡一經(jīng)識別后，時鐘頻率便可提高到25MHz。
CRC算法將被保護的數(shù)據(jù)用選中的除數(shù)進行除法運算，產(chǎn)生一個余數(shù)。因為該算法中用得的是多項式，所以該除法運算不含進位邏輯。無需考慮進位時，除法運算可通過邏輯XOR操作來實現(xiàn)。所選中的除數(shù)通常用CRC的多項式來表示。接著，計算出的余數(shù)和數(shù)據(jù)一起傳輸，接收器用此余數(shù)來檢查確認數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否正常。
對于CRC-7，余數(shù)可通過一個7位移位寄存器在軟件中計算。計算開始時，將該移位寄存器初始化置為全零。當受保護數(shù)據(jù)的每一位(MSB在先)被移入移位寄存器的LSB時，移出移位寄存器的MSB，并進行檢查。如果移出的位為1，則用CRC-7多項式系數(shù)0x09進行異或運算，以此來修正移位寄存器的內(nèi)容。如果從移位寄存器中移出的位為0，則無需XOR操作。受保護數(shù)據(jù)的最后一位被移入移位寄存器且完成了條件XOR操作后，必須按此類似方式移入7個或更多0。這一過程稱作擴張并完成多項式除法運算。此時，CRC-7值可從移位寄存器直接讀出。
圖2. 通過移位寄存器架構(gòu)計算CRC-7。
當接收器收到所有受保護的數(shù)據(jù)后，接收器可計算基于受保護數(shù)據(jù)的CRC-7值并將改值與接收到的CRC-7值進行比較。如果這兩個值不同，接收器就能判斷出受保護數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)錯誤。如果這兩個值相同，則接收器可完全判定通信通道上的數(shù)據(jù)是完整的。
CRC-16算法可用同樣的方式來構(gòu)建。在這種情況下，移位寄存器長度為16位而不是7位；多項式系數(shù)改為0x1021，且輸入數(shù)據(jù)通過16個0位來擴張。
圖3. 發(fā)送給存儲卡的SPI模式SD命令采用6字節(jié)格式。
表1. 部分SD存儲卡命令
圖4. R1響應指示發(fā)出的命令是否成功執(zhí)行。
SD卡進入SPI模式后，SD規(guī)范要求主機在進行其它任何請求之前先發(fā)送一條初始化命令。為了能區(qū)分MMC卡和SD卡，SD卡采用了一種不同的初始化命令，MMC卡對該命令是不響應的。先向卡發(fā)送命令55 (APP_CMD)，緊接著再發(fā)送應用命令41 (SEND_OP_COND)，這樣即完成了這個重要的步驟。MMC卡對命令55不做回應，通過這一點可鑒別出MMC卡，并將其視作無效介質(zhì)而拒絕訪問。這個命令序列要一直重復執(zhí)行，直到來自存儲卡的R1響應中所有位均為0 (也就是說，IDLE位變?yōu)榈?才停止。
清單1. 代碼必須用SEND_OP_COND來識別SD和MMC卡。
SD卡包含了一些重要的寄存器，用來提供SD卡的相關(guān)信息。最重要的寄存器是存儲卡特定數(shù)據(jù)寄存器(CSD)。對于我們的應用示例而言，我們感興趣的是存儲器的數(shù)據(jù)塊大小和總?cè)萘俊Ｎ覀冞€必須對存儲卡標識數(shù)據(jù)寄存器(CID)加以注意，因為它包含了存儲卡的制造商詳細信息和序列號。圖5顯示了CSD寄存器和CID寄存器的配置結(jié)構(gòu)。
圖5. CSD寄存器和CID寄存器提供SD卡的相關(guān)信息。
圖6. 從SD卡到主機的數(shù)據(jù)傳輸要加入一個起始令牌作為前綴。
如果完成了SD介質(zhì)的讀取操作并且沒有錯誤發(fā)生，則先發(fā)送一個起始數(shù)據(jù)令牌，接著是固定數(shù)量的數(shù)據(jù)，最后是兩個字節(jié)的CRC-16校驗和。如果SD卡碰到硬件故障或介質(zhì)讀取錯誤，則不會發(fā)送起始數(shù)據(jù)令牌。而是發(fā)送一個錯誤令牌，數(shù)據(jù)傳輸隨之中止。
如果數(shù)據(jù)被接受，SD卡會在存儲卡忙時始終將DO線保持為低電平。存儲卡忙期間，主機不必始終將卡選擇線保持為低電平，如果解除CS選擇狀態(tài)，SD卡將釋放DO線。當多于一個的設(shè)備與SPI總線連接時，上述處理方式非常有用。主機可以一直等待SD卡釋放忙指示標志，也可以定期觸發(fā)片選信號以檢查存儲卡的工作狀態(tài)。如果卡仍然處于忙狀態(tài)，它會將DO線拉低以指示該狀態(tài)。否則，存儲卡會使DO線返回至空閑狀態(tài)(見圖7)。
圖7. 從主機到SD卡的數(shù)據(jù)傳輸使用一套更為復雜的握手機制。
清單2. 強烈推薦使能CRC校驗和。
低功耗、低噪聲的MAXQ2000微控制器適合于多種應用。MAXQ2000在閃存中存儲非易失性數(shù)據(jù)，并和用戶代碼空間共享32k字(64kB)的閃存容量。但如果你的應用需要更多的非易失性存儲器怎么辦呢？這篇文章說明了如何使用安全數(shù)碼(SD?)存儲介質(zhì)來擴展MAXQ2000的非易失性數(shù)據(jù)存儲器。
外部存儲器的設(shè)計考慮
對于你的應用設(shè)計來說，首要應該考慮電源電壓和電流的要求。在典型的MAXQ2000應用中，可采用一個雙路線性穩(wěn)壓器，從而在所選的時鐘頻率下使處理器工作于盡可能低的核心電壓(VDD)下。MAXQ2000的VDD電壓可低至1.8V。VDDIO為MAXQ2000的I/O引腳供電，允許的電壓范圍最低至VDD，最高可達3.6V。可接受的外部存儲器電流消耗受限于電源的額定電流，對于電池供電設(shè)備，則電流消耗受限于電池系統(tǒng)的容量。其次，在保證能為目標應用提供足夠帶寬的前提下，應將連接外部存儲器的MAXQ2000 I/O數(shù)限制到最少。例如，Atmel的AT29LV512閃存芯片與一個主機微控制器連接時，需要15條地址線、8條數(shù)據(jù)線和3條控制線。由于MAXQ2000沒有外部地址/數(shù)據(jù)總線，在上述例子中，就需要由軟件來控制總線事務(wù)。對于某些應用來說，這種方法不能很有效地利用MAXQ2000的I/O引腳。
然而，基于SPI?和I2C的外部閃存器件只需要3到4個接口引腳。MAXQ2000具有一個硬件SPI模塊，而I2C在MAXQ2000上必須由用戶通過軟件實現(xiàn)(即"位模擬")。這種集成功能使得SPI接口成為訪問外部非易失性存儲器的主要途徑。
SD存儲卡
SD存儲介質(zhì)是一種非易失性外部存儲器，可滿足許多應用的上述要求。SD格式是"多媒體卡" (MMC)格式的繼任產(chǎn)品。SD卡存儲器一般工作于3.3V電壓，具有適度的電流要求。SD卡的容量從幾兆字節(jié)到最高4GB不等。容量范圍如此之寬，可為眾多應用提供充足的外部存儲空間。由于SD卡采用專有的共享總線，乍一看，似乎很難與MAXQ2000接口。然而，SD繼承了MMC的第二總線格式－SPI。由于MAXQ2000提供SPI硬件支持，連接非常容易。
圖1. MAXQ2000與SD存儲卡的接口非常簡單。
圖1的電路圖給出了一個典型應用電路。SD卡要求全雙工、8位SPI操作。數(shù)據(jù)從MAXQ2000的MOSI引腳同步輸入SD卡的DI引腳，并由SD卡的DO線同步輸入MAXQ2000的MISO引腳。數(shù)據(jù)在CLK信號的上升沿同步輸入和輸出。在每次數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪┪策€必須提供8個額外的時鐘，以允許SD完成任何未完結(jié)的操作。對應這些額外時鐘的輸入數(shù)據(jù)必須全為1。識別階段的時鐘頻率必須限定在400kHz以內(nèi)，但SD卡一經(jīng)識別后，時鐘頻率便可提高到25MHz。
MAXQ2000的SPI模塊
MAXQ2000包含一個硬件SPI模塊，可以方便地針對SD卡接口進行配置。為了配置時鐘極性和數(shù)據(jù)長度，需將SPICF寄存器置為全零。這種SPI模塊配置在時鐘的上升沿鎖存數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)長度設(shè)置為8位。對于本應用，MAXQ2000的系統(tǒng)時鐘頻率為16MHz。在這種情況下，需要將SPICK寄存器置為0x28，從而使SPI時鐘頻率接近380kHz。必須將SPICN寄存器的低2位置位，以使能SPI主機模式。SD SPI數(shù)據(jù)格式
SD卡的SPI協(xié)議與SD總線協(xié)議相似。如果一片SD卡沒有數(shù)據(jù)要發(fā)送，則將DO引腳保持在全1的空閑狀態(tài)，因此不是在每個時鐘沿都從SD卡的DO引腳接收有效數(shù)據(jù)。當SD卡有數(shù)據(jù)要回送給主機時，要在數(shù)據(jù)之前先發(fā)送一些以0為起始位的特定令牌。當這些令牌發(fā)送完畢之后，SD卡要發(fā)送的所有定長數(shù)據(jù)立即被發(fā)送出去。由于接收器事先已經(jīng)知道要接收的字節(jié)數(shù)，因而響應中不包含表征長度的字節(jié)。此外，由于在起始令牌和數(shù)據(jù)都發(fā)送完畢后才會進入空閑狀態(tài)，所以全部數(shù)據(jù)字節(jié)都以不帶前綴的原始形式發(fā)送。和總線上其它所有通信過程一樣，令牌大小也要和SPI傳輸?shù)?位邊界對齊。主機發(fā)送給SD卡的指令和數(shù)據(jù)都遵循類似的格式，以全1指示總線空閑。除了狀態(tài)令牌以外，所有傳輸都由附加在數(shù)據(jù)末尾的循環(huán)冗余校驗(CRC)碼進行保護。系統(tǒng)提供兩種CRC算法：CRC-7用于小數(shù)據(jù)塊，CRC-16則用于大數(shù)據(jù)塊。CRC是SD SPI接口的可選部分，但除非應用系統(tǒng)限制它的使用，否則應該使用CRC來確保數(shù)據(jù)的完整性。循環(huán)冗余校驗
CRC算法通常用于檢測由不可靠的通信通道引起的誤差。特定CRC類型的選擇根據(jù)需要保護的數(shù)據(jù)長度來決定。對于基于SD存儲介質(zhì)的數(shù)據(jù)，采用CRC-7和CRC-16編碼方式。CRC算法將被保護的數(shù)據(jù)用選中的除數(shù)進行除法運算，產(chǎn)生一個余數(shù)。因為該算法中用得的是多項式，所以該除法運算不含進位邏輯。無需考慮進位時，除法運算可通過邏輯XOR操作來實現(xiàn)。所選中的除數(shù)通常用CRC的多項式來表示。接著，計算出的余數(shù)和數(shù)據(jù)一起傳輸，接收器用此余數(shù)來檢查確認數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否正常。
對于CRC-7，余數(shù)可通過一個7位移位寄存器在軟件中計算。計算開始時，將該移位寄存器初始化置為全零。當受保護數(shù)據(jù)的每一位(MSB在先)被移入移位寄存器的LSB時，移出移位寄存器的MSB，并進行檢查。如果移出的位為1，則用CRC-7多項式系數(shù)0x09進行異或運算，以此來修正移位寄存器的內(nèi)容。如果從移位寄存器中移出的位為0，則無需XOR操作。受保護數(shù)據(jù)的最后一位被移入移位寄存器且完成了條件XOR操作后，必須按此類似方式移入7個或更多0。這一過程稱作擴張并完成多項式除法運算。此時，CRC-7值可從移位寄存器直接讀出。
圖2. 通過移位寄存器架構(gòu)計算CRC-7。
當接收器收到所有受保護的數(shù)據(jù)后，接收器可計算基于受保護數(shù)據(jù)的CRC-7值并將改值與接收到的CRC-7值進行比較。如果這兩個值不同，接收器就能判斷出受保護數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)錯誤。如果這兩個值相同，則接收器可完全判定通信通道上的數(shù)據(jù)是完整的。
CRC-16算法可用同樣的方式來構(gòu)建。在這種情況下，移位寄存器長度為16位而不是7位；多項式系數(shù)改為0x1021，且輸入數(shù)據(jù)通過16個0位來擴張。
SD命令格式
發(fā)送給SD卡的命令采用6字節(jié)的格式(圖3)。命令的第1個字節(jié)可通過將6位命令碼與16進制碼0x40進行或運算得到。如果命令需要，則在接下來的4個字節(jié)中提供一個32位的參數(shù)；最后1個字節(jié)包含了從第1個字節(jié)到第5個字節(jié)的CRC-7校驗和。表1列出了一些重要的SD命令。圖3. 發(fā)送給存儲卡的SPI模式SD命令采用6字節(jié)格式。
表1. 部分SD存儲卡命令
| Command | Mnemonic | Argument | Reply | Description |
| 0 (0x00) | GO_IDLE_STATE | none | R1 | Resets the SD card. |
| 9 (0x09) | SEND_CSD | none | R1 | Sends card-specific data. |
| 10 (0x0a) | SEND_CID | none | R1 | Sends card identification. |
| 17 (0x11) | READ_SINGLE_BLOCK | address | R1 | Reads a block at byte address. |
| 24 (0x18) | WRITE_BLOCK | address | R1 | Writes a block at byte address. |
| 55 (0x37) | APP_CMD | none | R1 | Prefix for application command. |
| 59 (0x3b) | CRC_ON_OFF | Only Bit 0 | R1 | Argument sets CRC on (1) or off (0). |
| 41 (0x29) | SEND_OP_COND | none | R1 | Starts card initialization. |
將SD卡初始化為SPI模式
剛上電時，SD卡缺省使用專有的SD總線協(xié)議。為了將SD卡切換到SPI模式，主機應發(fā)出命令0 (GO_IDLE_STATE)。SD卡會檢測到SPI模式選擇信息，因為卡選擇(CS)引腳在該命令和其它所有SPI命令傳送過程中都保持為低電平。SD卡以R1響應(圖4)作為回應。空閑狀態(tài)位被置為高電平，表明SD卡已進入空閑狀態(tài)。為了保持與MMC卡的兼容性，此階段的SPI時鐘頻率一定不能超過400kHz。圖4. R1響應指示發(fā)出的命令是否成功執(zhí)行。
SD卡進入SPI模式后，SD規(guī)范要求主機在進行其它任何請求之前先發(fā)送一條初始化命令。為了能區(qū)分MMC卡和SD卡，SD卡采用了一種不同的初始化命令，MMC卡對該命令是不響應的。先向卡發(fā)送命令55 (APP_CMD)，緊接著再發(fā)送應用命令41 (SEND_OP_COND)，這樣即完成了這個重要的步驟。MMC卡對命令55不做回應，通過這一點可鑒別出MMC卡，并將其視作無效介質(zhì)而拒絕訪問。這個命令序列要一直重復執(zhí)行，直到來自存儲卡的R1響應中所有位均為0 (也就是說，IDLE位變?yōu)榈?才停止。
清單1. 代碼必須用SEND_OP_COND來識別SD和MMC卡。
SD卡包含了一些重要的寄存器，用來提供SD卡的相關(guān)信息。最重要的寄存器是存儲卡特定數(shù)據(jù)寄存器(CSD)。對于我們的應用示例而言，我們感興趣的是存儲器的數(shù)據(jù)塊大小和總?cè)萘俊Ｎ覀冞€必須對存儲卡標識數(shù)據(jù)寄存器(CID)加以注意，因為它包含了存儲卡的制造商詳細信息和序列號。圖5顯示了CSD寄存器和CID寄存器的配置結(jié)構(gòu)。
圖5. CSD寄存器和CID寄存器提供SD卡的相關(guān)信息。
檢查SD卡的響應
要讀取存儲卡的寄存器或數(shù)據(jù)塊，我們首先必須理解存儲卡如何響應我們的請求。在SPI模式下，SD卡以R1應答SEND_CSD (9)、SEND_CID (10)和READ_SINGLE_BLOCK (17)命令。接著則是一個起始令牌，然后是所請求的數(shù)據(jù)，最后是數(shù)據(jù)的CRC-16校驗和。我們不能想當然地認為數(shù)據(jù)起始令牌是緊接著R1響應即刻發(fā)出的，因為總線在這兩個事件之間會進入空閑狀態(tài)一段時間。圖6顯示了數(shù)據(jù)響應的細節(jié)。圖6. 從SD卡到主機的數(shù)據(jù)傳輸要加入一個起始令牌作為前綴。
讀取CSD寄存器和CID寄存器的元數(shù)據(jù)
使用SEND_CSD和SEND_CID命令可返回寄存器的內(nèi)容，以便確定SD卡的參數(shù)。這些命令分別返回與CSD或CID寄存器容量大小一致的固定數(shù)量的字節(jié)。SEND命令字節(jié)中包含的參數(shù)被SD卡忽略。從SD卡中讀取一個數(shù)據(jù)塊
從SD卡中讀取一個數(shù)據(jù)塊是相當簡單的。主機發(fā)出READ_SINGLE_BLOCK命令，并將起始字節(jié)地址作為參數(shù)。這個地址必須和介質(zhì)上一個塊的起始位置對齊。然后SD卡會驗證這個字節(jié)地址，并以一個R1命令作為響應。如果命令中的地址越界，則會在命令響應中指示這種情況。如果完成了SD介質(zhì)的讀取操作并且沒有錯誤發(fā)生，則先發(fā)送一個起始數(shù)據(jù)令牌，接著是固定數(shù)量的數(shù)據(jù)，最后是兩個字節(jié)的CRC-16校驗和。如果SD卡碰到硬件故障或介質(zhì)讀取錯誤，則不會發(fā)送起始數(shù)據(jù)令牌。而是發(fā)送一個錯誤令牌，數(shù)據(jù)傳輸隨之中止。
向SD卡中寫入一個數(shù)據(jù)塊
寫入一個數(shù)據(jù)塊和讀取數(shù)據(jù)塊類似，即主機必須提供一個與SD卡數(shù)據(jù)塊邊界對齊的字節(jié)地址。寫入數(shù)據(jù)塊的大小必須與READ_BL_LEN相同，一般為512字節(jié)。通過發(fā)出WRITE_BLOCK (24)命令啟動寫操作過程，SD卡將以R1命令響應格式進行應答。如果命令響應表明寫操作可以進行，則主機發(fā)送數(shù)據(jù)起始令牌，接著是固定數(shù)量的數(shù)據(jù)字節(jié)，最后以發(fā)送數(shù)據(jù)的CRC-16校驗和結(jié)束。SD卡返回一個數(shù)據(jù)響應令牌以指示待寫入的數(shù)據(jù)是否被接受。如果數(shù)據(jù)被接受，SD卡會在存儲卡忙時始終將DO線保持為低電平。存儲卡忙期間，主機不必始終將卡選擇線保持為低電平，如果解除CS選擇狀態(tài)，SD卡將釋放DO線。當多于一個的設(shè)備與SPI總線連接時，上述處理方式非常有用。主機可以一直等待SD卡釋放忙指示標志，也可以定期觸發(fā)片選信號以檢查存儲卡的工作狀態(tài)。如果卡仍然處于忙狀態(tài)，它會將DO線拉低以指示該狀態(tài)。否則，存儲卡會使DO線返回至空閑狀態(tài)(見圖7)。
圖7. 從主機到SD卡的數(shù)據(jù)傳輸使用一套更為復雜的握手機制。
SPI命令與數(shù)據(jù)錯誤檢測
可利用CRC-7和CRC-16校驗來檢測主機與SD卡間的通信錯誤。如果因物理因素而導致錯誤發(fā)生，如在插入、移除時的觸點抖動，或是可拆卸介質(zhì)固有的接觸不良狀況，錯誤檢測機制可實現(xiàn)堅固的錯誤恢復功能。我們強烈建議使用校驗和機制，這可以通過發(fā)出CRC_ON_OFF (59)命令并將參數(shù)的最低位置為高來啟動該功能。清單2. 強烈推薦使能CRC校驗和。
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