Как видно из рисунка после передачи кадра команды необходимо продолжать чтение байтов (Ncr) от microSD до получения ответа (R1), при этом уровень CS должен быть активным "0".
В зависимости от индекса команды ответ может быть не только R1 (см. набор основных команд) на CMD58 ответ R3 (R1 и завершающее 32-битное значение OCR), а некоторым командам нужно больше времени NCR и они ответ будет R1b . Это ответ R1, за которым идет флаг занятости (сигнал на линии "DO" удерживается картой в низком уровне, пока продолжается внутренний процесс). Контроллер хоста должен ждать окончания процесса, пока "DO" не перейдет в состояние высокого уровня (т.е. дождаться 0xFF). А так же R2 при запросе состояния регистра STATUS.
Ответ R1 содержит 1 байт, его структуру можно посмотреть в таблице ниже. Ответ R2 состоит из двух байт, первый байт R1 и второй R2 (см. таблицу структуры R2). А ответ R3 соответственно из 5 байт.
Ответ R1 при значении 0х00 означает успешное завершение команды, иначе будет установлен соответствующий флаг.
Структура ответа R1.
Структура ответа R2.
Инициализации в режиме SPI.
После сброса и подачи питания карта по умалчиванию устанавливается в режим работы по протоколу MMC (Serial Peripheral Interface), для перевода в режим SPI необходимо сделать следующее:
- После достижения питания 2.2 В, подождать не менее миллисекунды, установить на линиях DI и CS высокий уровень и выдать около 80 импульсов на вывод CLK. После такой процедуры карта будет готова принять родную команду.
- Послать команду CMD0 (программный сброс). Карта должна ответить (R1) с установленным битом ожидания (0x01).
- Послать команду CMD1 (для начала инициализации карты). Ждать ответа 0х00 для подтверждения завершения процесса инициализации.
Напомню, что команда CMD0 должна содержать корректное поле CRC. Рассчитывать нет смысла, так как аргументов в этой команде нет, по этому оно постоянно и имеет значение 0х95. Когда карта войдет в режим SPI, функция CRC будет отключена и не будет проверяться. Опция CRC может быть снова включена командой CMD59.
В результате команда CMD0 будет выглядеть так: 0х40,0х00,0х00,0х00,0х00,0х95.
- индекс команды - 0х40.
- аргумент- 0х00,0х00,0х00,0х00.
- CRC-0х95.
Что касается 80 импульсов, то их можно сформировать передавая по SPI значение 0хFF 10 раз подряд при установленных высоких уровнях на линиях DI и CS.
После простоя более 5 мс карта памяти переходит в энергосберегающий режим, и способна принимать только команды CMD0, CMD1 и CMD58. По этому процесс инициализации (CMD1) необходимо практически каждый раз повторять при чтении/записи блока данных или делать проверку состояния карты.
Для SDC-карт в случае отклонения команды CMD1 рекомендуется использовать команду ACMD41.
Сам процесс инициализации может занять относительно длительное время (в зависимости от объема карты) и может достигать сотен миллисекунд.
Чтение и запись блока данных.
По умолчанию в режиме SPI обмен между микроконтроллером и картой ведется блоками по 512 байт, по этому для записи даже одного байта придется сначала прочитать весь блок и изменив байт перезаписать обратно. Размер блока может быть изменен в регистре CSD карты памяти.
Воизбежания ошибки адресации при выполнении команд чтения/записи необходимо что бы адрес указывался четко начала сектора. Для этого можно сбрасывать бит "0" 3 байта адреса сектора, т.е. делать его четным, а младший всегда должен иметь значение 0х00.
Чтение блока данных.
Алгоритм чтения блока данных следующий:
- После подтверждения инициализации передаем команду CMD17 (ответ R1), с адресом необходимого сектора.
- Передаем 0xFF до получения стартового байта 0xFE .
- Принимаем блок данных (по умалчиванию 512 байт) и 2 байта CRC.
Значение CRC не обязательно, но процедура принятия (передача 0хFF от МК) необходима.
Чтение блока.
Запись блока данных.
Алгоритм записи блока данных следующий:
- Если простой карты был более 5 мс передаем команду CMD1 (ответ R1).
- После подтверждения инициализации передаем команду CMD24 (ответ R1), с адресом необходимого сектора.
- Передаем стартовый байт 0xFE .
- Передаем блок данных (по умалчиванию 512 байт) и 2 байта CRC.
- Получаем байт подтверждения записи.
- Ждем окончания записи (изменения байта 0х00).
Блок данных может быть меньше 512 байт при изменении длины блока командой CMD16.
Значение CRC не обязательно, но процедура передачи любыми значениями необходима.
Оценку простоя можно программно и не делать, а сразу давать команду инициализации. При программной реализации столкнулся с некорректной записью, почему то все байты были записаны в сектор со сдвигом влево. Проблему удалось решить, только передавая стартовый бит (0xFЕ) два раза.
Запись блока.
Байт подтверждения при записи блока данных.
Запись/чтение нескольких блоков подряд.
При помощи команд CMD18 , CMD25 можно прочитать/записать несколько блоков подряд или так называемое многоблочное чтение/запись. Если не было задано количество блоков, то процесс чтения/записи можно остановить командами CMD12 при чтении, а так же передачей маркера "Stop Tran " при записи соответственно.
Практическое применение.
Практическое применение карт памяти довольно широко. В последней своей конструкции задействовал microSD для записи показаний с различных датчиков (температуры, сигнализации) в течении дня каждый час. Данные сохраняются следующим образом:
- Год берется последние две цифры - это соответствует первому (главному) байту адреса сектора карты памяти.
- Месяц, две цифры - это соответствует второму, старшему байту адреса сектора карты памяти.
- День, две цифры умножаются на 2 (во избежание наезда вне границы сектора) - это третий, средний байт адреса сектора карты памяти.
- Младший, четвертый байт соответственно всегда "0".
В результате упрощается поиск данных по дате, достаточно просто перевести запрос в адрес сектора и выполнить чтение с карты. При таком методе данные можно хранить в течении нескольких лет. Правда есть и недостатки, остается достаточно много неиспользованного места. Хотя при желании можно использовать для других задач.
Кому надо скину фрагмент кода на ассемблере для 18 пиков.
Вопросы можно задать на ..
Несколько лет назад в мае 2011 создателем культовой игры «Elite» Дэвидом Бребеном был представлен первый концепт одноплатного компьютера Raspberry Pi. Этот момент стал переломным в моей жизни. Идея сделать компьютер размером с флеш-накопитель лежала на поверхности, но большой размах получила лишь с помощью компании Raspberry Pi Foundation.
Уже 25 июля 2011 в производство отдается альфа версия компьютера. К сожалению, у проекта изменился концепт, и теперь он позиционируется как компьютер размером с кредитную карту. Несмотря на это обстоятельство за ним следили миллионы людей. Эффекту толпы повиновался и я, ежедневно проверяя официальную страницу проекта. Началось длительное и мучительное ожидание «чуда», которое случилось 29 февраля 2012 года – старт продаж.
Купить Raspberry Pi можно было через сеть Farnell либо у RS Components . Как оказалось, 29 февраля можно было сделать лишь предзаказ. В наличии этих плат не было ни у одной из контор. Первая партия устройств составляла всего 10000 экземпляров, поэтому, учитывая ажиотаж вокруг проекта, оформить заказ было очень тяжело. Однако, преодолев все трудности, в 14:06 того же дня компьютер был куплен за 46.73 фунтов стерлингов у Farnell’а.
Так долго не выполняли ни один из моих зарубежных заказов. Меня крайне огорчил тот момент, что Farnell, взяв за доставку 20 фунтов, отправил посылку 29 мая 2012 года (спустя 2 месяца) обычной почтой без номера для отслеживания. На удивление, симбиоз Королевской и Российской почты доставил посылку в целости и сохранности уже 22 июня. Это была самая желанная посылка за последние несколько месяцев, поэтому, не выдержав напряжения, мне пришлось отпроситься с работы и бежать на почту.
Рассказывать про то, как настраивать Raspberry Pi для первого запуска нет смысла. Со статьей на эту тему я опоздал на пару лет, уже много строк об этом написано на других ресурсах, а на Youtube выложено достаточное количество видеоматериалов. Я же хочу рассказать о существенном для меня недостатке в конструкции – неудобном расположении разъема для SD карты. Когда карта вставлена, она сильно выпирает за пределы платы, что портит вид самодельного корпуса.
Есть два варианта решения этой проблемы: подпаять переходник SD->microSD параллельно разъему, установленному на Raspberry Pi (как сделать такую операцию можно почитать в статье на Хабре), или использовать переходник Low-profile MicroSD->SD. Первый вариант для меня просто недопустим – ну не поднимается рука паять плату, т.к. боюсь испортить товарный вид своей Малинки. Считаю, что оптимальным выбором является все же использование Low-profile переходника.
Изначально было решено приобрести такой переходник в одном из зарубежных интернет магазинов. Выбор есть, но стоимость на такие безделушки просто запредельная. Самые дешевые экземпляры стоят 10 долларов, причем некоторые образцы откровенно выглядят самоделками. Окончательное решение о самостоятельном изготовлении переходника, было принято после посещения сайта DIYGadget , обратите внимание, как просто повторить их творение .
Готовы? Переходим от слов к делу. Чтобы правильно сделать переходник, изучим спецификацию на SD и microSD карты. Все, что необходимо для изготовления я попытался систематизировать в таблице 1, 2.
 |
Соединив соответствующие контакты на картах памяти, и, объединив Vss1, Vss2, получаем электрическую принципиальную схему переходника.
 |
Чтобы изготовить переходник нам потребуется:
1) Держатель для microSD (CF TFC-WPCE-08 MICROSD CARD) – 52.22 руб.
2) Кусок двустороннего фольгированного стеклотекстолита площадью порядка 4 см 2 (2% от позиции СТЕКЛОТЕКСТОЛИТ ФОЛЬГИР.1.5ММ 2-Х СТОРОН) – 3 руб.
3) Материалы для монтажа (хлорное железо, олово, флюс) – 10 руб.
Тогда себестоимость проекта составит 65 рублей 22 копейки и некоторое количество свободного времени. Для того чтобы удешевить конструкцию можно заменить держатель карты microSD на CF TFC-WPCER-08 MICROSD CARD . К сожалению, этой позиции не оказалось в наличии на складе ЗАО «Промэлектроника», поэтому я приобрел более дорогой вариант. Обращаю Ваше внимание на то, что если Вы замените тип держателя, то воспользоваться моим шаблоном для ЛУТ (лазерно-утюжной технологии) у Вас может не получиться.
Для проектирования печатной платы я использовал Autocad, т.к. мой любимый SprintLayout не смог порадовать наличием нужного шаблона. Для любителей видоизменить печатную плату Вы можете скачать исходник в формате DWG , а если такой необходимости нет, то – заготовку в формате PDF (рекомендую перед нанесением шаблона из PDF сверить размеры).
После того, как шаблон перенесен на плату, рекомендую просверлить отверстия диаметром 0,5 мм для перехода с одного слоя на другой.
Переход со слоя на слой я произвожу с помощью тонкого провода, предварительно облудив дорожки будущего переходника. В тех местах, где отверстия находятся под держателем microSD, необходимо надфилем сточить капли олова, чтобы он установился без перекоса. В последнюю очередь производим монтаж держателя. Если в процессе изготовления платы использовались различные флюсы, то перед тем как толкать её в Ваш Raspberry Pi обязательно промойте плату.
Делать переходник самим или покупать – выбирать Вам. Чтобы выбор был более осознанным, специально для Вас я подобрал несколько ссылок для покупки:
1) Raspberry Pi Premium Low-profile MicroSD (TF) to SD Card Adapter. Protect Board.
2) Raspberry Pi Low-profile MicroSD to SD Card Adapter, SD card won"t get damaged!!
3) MicroSD to "short" SD / RS-MMC adapter. For Everdrive carts, Raspberry Pi, etc.
4) Low-profile MicroSD to SD Card Adapter for Raspberry Pi.
5) SD card adapter for Raspberry pi REV2 +free shipping.
В заключении хочется сказать, что весь материал предназначен лишь для ознакомления. Использование наработок в коммерческих целях строго запрещено. Перепечатка материалов возможна только с моего разрешения и с соблюдением ссылок на первоисточник. Желающих поддержать не только словом, но и делом, а также поблагодарить – прошу ко мне на почту .
Для самостоятельной сборки устройства Вам необходимо скачать следующие файлы:
1. Исходник платы для ЛУТ в формате DWG
2. Плата для ЛУТ в формате PDF
Удачи в Ваших начинаниях!!!
Мы выводили картинку на дисплей с sd карточки, но в ней были упущены некоторые моменты, первый - подключение самой карточки, второй - была рассмотрена лишь часть функций библиотеки Petit FatFs , давайте остановимся на этих моментах подробнее.
Общение с карточкой возможно по одному из двух интерфейсов, SPI
или SD
.
Надо сказать, что SD интерфейс может работать в однобитном и четырёхбитном режимах.
Схема подключения карточки по SPI стандартная и выглядит следующим образом, не используемые выводы карточки нужно с помощью резистора 10К подтянуть к питанию.
Но в любительских конструкциях зачастую пренебрегают подтягивающими резисторами, упрощая схему подключения.
Надо отметить, что при подключении по SPI карточка очень требовательна к напряжению питания и небольшая просадка питающего напряжения приводит к неработоспособности карточки, это проверено на личном опыте, по поводу SD интерфейса сказать нечего, ещё не пробовал. Это всё писал к тому, что по питанию обязательно ставить конденсаторы . Что касается дросселя, он должен быть рассчитан на ток до 100мА, но ставить его необязательно.
На схемах, изображённых выше видно, что для работы карточке необходимо 3.3 вольта, соответственно, в линиях передачи данных напряжение не должно выходить за диапазон 0 – 3.3 вольт и тут возникает вопрос, что делать если МК питается от 5 вольт?
Ответ прост, надо согласовать линии передачи данных, а сделать это можно с помощью обычного резистивного делителя.
На схеме видно, что линию MISO согласовывать не надо так, как по этой линии данные передаются от карточки к МК .
На самом деле, мало кто подключает карточку напрямую к МК, гораздо удобнее подключить к МК разъём для карточки или купить шилд с разъемом и всей необходимой обвязкой.
С подключением разобрались, давайте теперь рассмотрим как пользоваться библиотекой Petit FatFs , которая предназначена для 8-битных микроконтроллеров с малым размером памяти.
Библиотека состоит из 5 файлов:
integer.h
- заголовочный файл в котором описаны основные типы данных.
diskio.h - заголовочный файл в котором объявлены прототипы низкоуровневых функций для работы с диском и статусные коды, которые они возвращают.
diskio.c - в этом файле должны быть реализованы низкоуровневые функции, изначально там "заглушки".
pffсonf.h - конфигурационный файл.
pff.h - заголовочный файл в котором объявлены прототипы функций взаимодействия с файловой системой диска.
pff.c - файл содержит реализации функций для взаимодействия с файловой системой диска.
Видно, что для того чтобы библиотека заработала необходимо реализовать низкоуровневые функции. Но если речь идет о AVR или PIC, для них сайте можно скачать пример работы с библиотекой, в котором есть файл mmc , в нем уже реализованы низкоуровневые функции. Также необходимо задать конфигурацию библиотеки в файле pff.h и написать функции необходимые для работы SPI.
Функции Petit FatFs.
FRESULT pf_mount (FATFS*) - функция монтирует/демонтирует диск. Эту функцию необходимо вызывать до начала работы с диском, если вызвать функцию с нулевым указателем диск демонтируется. Функция может быть вызвана в любой момент времени.
Параметры
FATFS* fs
- указатель на объект типа FATFS, описание этой структуры можно посмотреть в файле pff.h. Нам надо всего лишь объявить переменную такого типа.
Возвращаемые значения:
FR_OK (0)
FR_NOT_READY
- устройство не может быть инициализировано
FR_DISK_ERR
- возникла ошибка во время чтения с диска
FR_NO_FILESYSTEM
- на диске нет правильного раздела FAT
FATFS fs;//объявляем объект типа FATFS //монтируем диск if (pf_mount(&fs) == FR_OK) { //диск смонтирован, работаем с ним //демонтируем диск pf_mount(NULL); } else { //не удалось смонтировать диск }
FRESULT pf_open (const char* path) - функция открывает существующий файл. После того как файл открыт с ним можно работать, то есть читать из него и записывать в него. С открытым файлом можно работать до тех пор, пока не будет открыт другой файл. Функция может быть вызвана в любой момент времени.
Параметры
const char* path
- указатель на строку, указывающую путь к файлу. Путь надо указывать полностью относительно корневой директории, разделяя директории слэшем.
Возвращаемые значения:
FR_OK (0)
- возвращается в случае успешного выполнения функции
FR_NO_FILE
- файл не найден
FR_DISK_ERR
- ошибка диска
FR_NOT_ENABLED
- диск не был смонтирован
FATFS fs;//объявляем объект типа FATFS //монтируем диск if (pf_mount(&fs) == FR_OK) { //открываем файл лежащий в корневой директории if(pf_open("hello.txt") == FR_OK) { //делаем что-то } //открываем файл лежащий в папке new if(pf_open("new/hello.txt") == FR_OK) { //делаем что-то } //демонтируем диск pf_mount(NULL); } else { //не удалось смонтировать диск }
FRESULT pf_read(void* buff, WORD btr, WORD* br)
- функция читает указанное количество байт из файла и сохраняет их в буфер. Если количество прочитанных байт меньше чем указано, значит был достигнут конец файла.
#define _USE_READ 1
Параметры:
void* buff
- указатель на буфер, в котором сохраняются прочитанные данные
WORD btr
- количество байт, которые нужно прочитать
WORD* br
- указатель на переменную, в которой хранится количество прочитанных байт.
Возвращаемые значения:
FR_OK (0)
- возвращается в случае успешного выполнения функции
FR_DISK_ERR
- ошибка диска
FR_NOT_OPENED
- файл не был открыт
FR_NOT_ENABLED
- диск не был смонтирован
FATFS fs;//объявляем объект типа FATFS BYTE buff;//буфер для чтения файла WORD br; //счетчик прочитанных байт //монтируем диск if (pf_mount(&fs) == FR_OK) { //открываем файл лежащий в корневой директории if(pf_open("hello.txt") == FR_OK) { //читаем из него 10 байт pf_read(buff, 10, &br); if(br != 10) { //если br не равно 10 //значит мы достигли конца файла } } }
FRESULT pf_write(const void* buff, WORD btw, WORD* bw)
- функция позволяет записывать данные в открытый файл. Для того чтобы функция работала в файле pffconf.h надо записать
#define _USE_WRITE 1
Параметры:
void* buff
- указатель на буфер, который хотим записать, нулевое значение финализирует запись
WORD btw
- количество байт, которые хотим записать
WORD* bw
- указатель на переменную, хранящий количество байт, которые удалось записать. Анализируя, эту переменную можно узнать был ли достигнут конец файла.
Возвращаемые значения:
FR_OK (0)
- возвращается в случае успешного выполнения функции
FR_DISK_ERR
- ошибка диска
FR_NOT_OPENED
- файл не был открыт
FR_NOT_ENABLED
- диск не был смонтирован
Из-за того, что библиотека рассчитана на микроконтроллеры с малым объемом памяти, эта функция имеет ряд ограничений:
- нельзя создавать новые файлы, а записывать можно только в существующие
- нельзя увеличивать размер файла
- нельзя обновить временную метку
- операцию записи можно начать/остановить только на границе сектора
- файловый атрибут "только для чтения" не может запретить запись
Для того чтобы понять предпоследний пункт, надо знать, что память карточки разбита на блоки(сектора) по 512 байт и запись можно начать только с начала сектора . Таким образом если мы хотим записать 1000 байт, то первый сектор запишется полностью, а во второй запишется только 488 байт, а оставшиеся 24 байта заполнятся нулями.
Для записи в открытый файл надо выполнить следующие действия:
- установить указатель на границу сектора, если установить не на границу, то указатель будет округлен до нижней границы сектора
- вызвать функцию записи нужное количество раз
- финализировать запись, вызвав функцию с нулевым указателем
Для того, чтобы привести пример работы функции записи необходимо рассмотреть ещё одну функцию.
FRESULT pf_lseek(DWORD offset)
- устанавливает указатель чтения/записи в открытом файле. Устанавливать указатель можно абсолютным или относительным смещением, для абсолютного смещения необходимо передать в функцию число
pf_lseek(5000);
для относительного, передать значение указателя на текущую позицию fs.fptr
и величину смещения
pf_lseek(fs.fptr + 3000);
Для того чтобы функция работала в файле pffconf.h надо записать
#define _USE_LSEEK 1
Параметры:
DWORD offset
- количество байт, на которые нужно сместить указатель.
Возвращаемые значения:
FR_OK (0)
- возвращается в случае успешного выполнения функции
FR_DISK_ERR
- ошибка диска
FR_NOT_OPENED
- файл не был открыт
Записать данные в файл можно следующим образом.
FATFS fs;//объявляем объект типа FATFS
BYTE buff;//буфер для чтения файла
WORD br; //счетчик прочитанных байт
//монтируем диск
if (pf_mount(&fs) == FR_OK)
{
//открываем файл лежащий в корневой директории
if(pf_open("hello.txt") == FR_OK)
{
//устанавливаем указатель на первый сектор
pf_lseek(0);
//записываем
pf_write(buff, 10, &br);
//финализируем запись
pf_write(0, 0, &br);
}
}
Также оставляю тут кусок реально работающего кода, в котором используются все выше описанные функции.
#define F_CPU 8000000UL
#define buff_size 10
#include
FRESULT pf_opendir(DIR* dp, const char * path)
- функция открывает существующую директорию и создает указатель на объект типа DIR, который будет использоваться для получения списка файлов открытой директории.
Для того чтобы функция работала в файле pffconf.h надо записать
#define _USE_DIR 1
Параметры:
DIR *dp
- указатель на переменную типа DIR.
const char * path - указатель на строку, которая содержит путь к директории, директории разделяются слэшем
Возвращаемые значения:
FR_OK (0)
- возвращается в случае успешного выполнения функции
FR_NO_PATH
- не удалось найти путь
FR_NOT_READY
- не удалось инициализировать диск
FR_DISK_ERR
- ошибка диска
FR_NOT_ENABLED
- диск не был смонтирован
//объявляем переменные FATFS fs; DIR dir; //монтируем диск pf_mount(&fs); //открываем директорию pf_opendir(&dir, "MY_FOLDER");
FRESULT pf_readdir(DIR* dp, FILINFO* fno)
- функцию позволяет прочитать содержимое директории. Для этого нужно открыть директорию с помощью функции pf_opendir() и вызывать pf_readdir(). Каждый раз при вызове функция будет возвращать название объекта(папки/файла) лежащего в указанной директории. Когда она пройдется по всем объектам, вернет нулевую строку в элементе массива fno.fname.
Для того чтобы функция работала в файле pffconf.h надо записать
#define _USE_DIR 1
Параметры:
DIR *dp
- указатель на переменную типа DIR, которая должна быть предварительно объявлена
FILINFO *fno - указатель на переменную типа FILINFO, которая должна быть предварительно объявлена.
Возвращаемые значения:
FR_OK
- успешное завершение функции
FR_DISK_ERR
- ошибка диска
FR_NOT_OPENED
- не открыта директория
FATFS fs; FRESULT res; FILINFO fno; DIR dir; //монтируем диск pf_mount(&fs); //открываем директорию res = pf_opendir(&dir, MY_FOLDER); //читаем содержимое директории for(;;){ res = pf_readdir(&dir, &fno); //проверяем не возникло ли ошибок при чтении // и есть ли еще файлы в указанной директории if ((res != FR_OK) || (fno.fname == 0)){ break; } //выводим удобным способом fno.fname usart_sendStr(fno.name); usart_sendStr(/r); }
Ну и напоследок оставлю тут рабочий проект
Сегодня SD-карты используются повсюду. Они втыкаются в ноутбуки, планшеты, телефоны, видеокамеры, роутеры, фоторамки, диктофоны, электронные книги, mp3-плееры, одноплатные компьютеры и даже квадрокоптеры — словом, они везде. Часто о них думают, как об относительно медленных устройствах, способных хранить пару гигабайт информации. Однако в наши дни уже доступны SD-карты объемом 512 Гб и скоростью чтения-записи 90 Мбайт/сек (не мегабит!). Теоретически же объем хранимой информации ограничен 2 Тб. А чем еще прекрасны SD-карты, это тем, что с ними можно работать по незамысловатому протоколу, основанному на SPI.
Немного матчасти
«SD» расшифровывается как «Secure Digital». Причем тут безопасность не знает никто. Внутри SD-карты находится обычная flash-память и микроконтроллер, осуществляющий общение с внешним миром. То есть, в первом приближении, это точно такая же non-volatile память, как и SPI flash .
SD-карты бывают трех типов. Карты SDSC (SC = Standard Capacity) позволяют хранить до 2 Гб информации и используют файловую систему FAT12 или FAT16. Эти карты морально устарели, в магазинах их найти непросто, да и по цене они сопоставимы с картами большего объема. Кроме того, они используют протокол, несколько отличающийся от протокола SDHC/SDXC-карт. В силу названных причин, с этого момента про существование SDSC мы забудем. К современным типам карт относятся SDHC (HC = High Capacity), использующие файловую систему FAT32 и способные хранить до 32 Гб данных, а также SDXC (XC = eXtended capacity), использующие exFAT и имеющие объем до 2 Тб. С точки зрения протокола эти карты неотличимы. Разница заключается только в файловой системе, выбор которой диктуется спецификацией.
Разумеется, ничто не мешает отформатировать SDHC карту под exFAT, или SDXC карту под какой-нибудь ZFS. Но ваш смартфон или фотоаппарат, вероятно, не сможет работать с такой картой.
Fun fact! Встречаются поддельные SDHC карты, которые на самом деле являются SDSC. В обычном магазине вы такие, скорее всего, не найдете, а вот на eBay налететь можно. Если вам предлагают купить типа SDHC карту объемом всего лишь 1 Гб , она наверняка на самом деле является SDSC.
Карты разделяют на различные классы, в зависимости от минимальной последовательной скорости записи (обратите внимание на выделение курсивом). Класс скорости обозначают в стиле C4 (class 4) или V30 (class 30). В обоих случаях цифра означает скорость в Мбайт/сек. Отличие C от V заключается только в том, что V намекает на пригодность карты для записи видео высокого разрешения. Еще встречаются маркировки U1 и U3 для 10 Мбайт/сек и 30 Мбайт/сек соответственно, где U означает Ultra High Speed. C10, V10 и U1 — это одно и то же.
SD-карты бывают разных форм-факторов — SD, MiniSD и MicroSD. MiniSD сегодня практически не встречаются. Многие карты выпускаются в форме MicroSD с переходником в обычный SD-формат. Это позволяет покупателям использовать карты с различными устройствами.
На следующем фото изображена моя небольшая коллекция SD и MicroSD-карт, а также модулей для подключения их к отладочным платам (Arduino, Nucleo и подобным):
Все представленные здесь модули работают одинаково хорошо. Если сомневаетесь, какой брать — берите тот, что изображен слева внизу. Он позволяет работать как с SD, так и с MicroSD-картами (через переходник), а также имеет дополнительные пины для подключения логического анализатора . Модуль не составляет труда найти на eBay. Еще встречаются модули вообще без резисторов, стабилизаторов напряжения и так далее, имеющие только слот для подключения карты и пины. С ними некоторые карты работать не будут! Далее станет понятно, почему. Наконец, модуль легко спаять из адаптера для MicroSD-карт. Далее будет рассказано, как.
Подключение SD-карты
Ниже изображена распиновка SD и MicroSD-карт (иллюстрация позаимствована отсюда):
Наибольший интерес для нас представляет правая колонка. На первый вгляд, все просто — смотрим на картинку, хоть напрямую припаиваемся к карте проводами, и начинаем слать и принимать байты по SPI. Но есть ряд важных моментов:
- Ни в коем случае не подавайте 5 В на пин VDD! Все SD-карты гарантировано работают от 3.3 В. Некоторые при этом также могут работать и от 5 В, но это не гарантируется. Если подать 5 В, вы рискуете спалить вашу дорогую карточку на 128 Гб, после чего ее останется только выкинуть;
- По тем же соображениям, если ваш проект использует пятивольтовую логику, крайне рекомендуется использовать конвертер уровней, например TXS0108E (даташит );
- Платы Arduino имеют пин 3V3, но не могут подавать на него большой ток. Если запитать SD-карту от этого пина, можно словить забавные глюки. Например, карта будет нормально работать в одиночестве, но переставать работать при подключении к плате TFT-экранчика на базе ST7735 , чья подсветка также питается от 3V3. Поэтому, если вы проектируете модуль или Arduino-шилд, используйте понижающий стабилизатор напряжения на 3.3 В вроде AMS1117 , питаемый от 5 В;
- Пин DO (он же MISO) должен быть обязательно подтянут к плюсу через резистор на 10 кОм или около того. Некоторые карты просто не будут стартовать без этого резистора. Например, я наблюдал такое поведение на картах производства Sony;
Теперь становится понятно, почему простые модули, имеющие только слот для подключения карты, не очень подходят. Также теперь ясно, как сделать модуль для подключения MicroSD-карт из адаптера. Отмечу, что пины с землей (VSS1 и VSS2) в адаптере, как правило, уже соединены между собой, поэтому дополнительно соединять их проводочком не требуется. На всякий случай стоит перепроверить, соединены ли пины, прозвонив их мультиметром.
Тонкости протокола
Хорошее описание протокола было найдено в статье How to Use MMC/SDC на сайте elm-chan.org. Здесь я не вижу смысла ее пересказывать. Заинтересованные читатели могут ознакомиться с оригиналом, а также с полной реализацией протокола для микроконтроллеров STM32 в исходниках к данному посту. Вместо пересказа я лишь пробегусь по основным моментам. Также отмечу, что в статье я не нашел упоминание нескольких крайне важных нюансов, про которые будет рассказано далее.
Итак, типичная команда выглядит как-то так:
Команды всегда имеют формат 01xxxxxx, и в соответствии со значением битов xxxxxx называются CMD0, CMD1, и так далее до CMD63. Следом за командой идут 4 байта аргумента, за которыми идет байт в формате yyyyyyy1 с семибитным CRC. Контрольные суммы по умолчанию выключены и проверяются только для первых нескольких команд на этапе инициализации. В остальных же случаях CRC заполняется единицами.
Большинство команд получают в ответ один байт, так называемый R1:
/*
R1: 0abcdefg
||||||`- 1th bit (g): card is in idle state
|||||`-- 2th bit (f): erase sequence cleared
||||`--- 3th bit (e): illigal command detected
|||`---- 4th bit (d): crc check error
||`----- 5th bit (c): error in the sequence of erase commands
|`------ 6th bit (b): misaligned addres used in command
`------- 7th bit (a): command argument outside allowed range
(8th bit is always zero)
*/
Если старший бит ответа равен единице, значит SD-карта еще обрабатывает запрос. Иногда за R1 следуют дополнительные данные. Также в определенных ситуациях в протоколе фигурируют data tokens (байты 0 x FC, 0 x FE), stop transaction token (0 x FD), error token и data response. Детали не слишком захватывающие, к тому же, они хорошо описаны на elm-chan.org и их можно изучить по коду. Куда интереснее то, чего в статье нет или обозначено не слишком явно.
Во-первых, вы можете помнить, что в SPI за один такт SCLK одновременно принимается и передается один бит информации. Так вот, оказывается, что если при чтении ответа от SD-карты случайно послать по SPI что-то отличное от единиц, некоторым SD-картам это рвет башню. Поэтому прием данных от карты выглядит как-то так:
static
int
SDCARD_ReadBytes(uint8_t
*
buff,
size_t
buff_size)
{
// make sure FF is transmitted during receive
uint8_t
tx =
0xFF
;
while
(buff_size >
0
)
{
HAL_SPI_TransmitReceive(&
SDCARD_SPI_PORT,
&
tx,
buff,
1
,
HAL_MAX_DELAY)
;
buff++;
buff_size--;
}
return
0
;
}
Во-вторых, в статье верно описано, что в определенных случаях карта может помечать себя занятой (busy), притягивая MISO к земле. В таких ситуациях нужно дождаться готовности карты. Но на практике оказалось, что проверку на готовность нужно выполнять перед каждой командой, даже если в текущих обстоятельствах карта не может быть занятой. То есть, по сути, перед каждой командой нужно посылать 0 x FF (на иллюстрации с форматом команд этот момент опущен). Иначе некоторые карты отказываются работать. В частности, я наблюдал такое поведение у карт производства SanDisc.
Соответствующая проверка:
static
int
SDCARD_WaitNotBusy()
{
uint8_t
busy;
do
{
if
(SDCARD_ReadBytes(&
busy,
sizeof
(busy)
)
<
0
)
{
return
-
1
;
}
}
while
(busy !=
0xFF
)
;
return
0
;
}
Fun fact! Понять я это смог, подглядев в Arduino-библиотеку SD. Пользуясь случаем, отмечу, что библиотека эта в целом довольно скверная. Мне не кажется очень хорошей идеей мешать в одну кучу код для SDSC и SDHC/SDXC карт, как сделано в этой библиотеке. Также я заметил, что в ней почему-то отсутствует поддержка CMD18 (READ_MULTIPLE_BLOCK), несмотря на то, что CMD25 (WRITE_MULTIPLE_BLOCK) реализована. И еще библиотека отказалась работать с некоторыми имеющимися у меня картами, несмотря на то, что код, написанный мной с нуля, прекрасно с ними работает. Вот и пользуйся после этого готовыми библиотеками!
Наконец, в третьих, карта может делить SPI-шину с другими устройствами. Понятно, что в этом случае первым делом после запуска прошивки нужно пометить все устройства, как неактивные, подав соответствующее напряжение, обычно высокое, на пины CS. После чего уже можно спокойно общаться с каждым устройством по отдельности, не беспокоясь, что какое-то другое устройство по ошибке решит, что обращались с нему. Но проблема заключается в том, что SD-карта определенным образом интерпретирует данные, передаваемые по SPI, даже не являясь выбранным устройством. Если конкретнее, то при инициализации карты нужно передать 74 или больше единицы (например, 10 байт 0 x FF) с высоким напряжением на CS. По этой причине карта либо должна жить на отдельной шине, либо инициироваться перед всеми остальными устройствами. Иначе карта может отказаться работать, я проверял.
Получившаяся библиотека
В ходе изучения мной протокола SD-карт была написана библиотека для STM32, реализующая этот протокол. Библиотека основана на HAL и имеет следующий интерфейс:
#define SDCARD_SPI_PORT hspi1
#define SDCARD_CS_Pin GPIO_PIN_5 // Arduino shield: D4
#define SDCARD_CS_GPIO_Port GPIOB
extern
SPI_HandleTypeDef SDCARD_SPI_PORT;
// call before initializing any SPI devices
void
SDCARD_Unselect()
;
// all procedures return 0 on success, < 0 on failure
// size of block == 512 bytes
int
SDCARD_Init()
;
int
SDCARD_GetBlocksNumber(uint32_t
*
num)
;
int
SDCARD_ReadSingleBlock(uint32_t
blockNum,
uint8_t
*
buff)
;
int
SDCARD_WriteSingleBlock(uint32_t
blockNum,
const
uint8_t
*
buff)
;
// Read Multiple Blocks
int
SDCARD_ReadBegin(uint32_t
blockNum)
;
int
SDCARD_ReadData(uint8_t
*
buff)
;
int
SDCARD_ReadEnd()
;
// Write Multiple Blocks
int
SDCARD_WriteBegin(uint32_t
blockNum)
;
int
SDCARD_WriteData(const
uint8_t
*
buff)
;
int
SDCARD_WriteEnd()
;
SD-карты могут реализовывать дополнительные функции, такие, как очистка блоков и защита блоков от записи. Но они поддерживаются не всеми картами, и потому не реализованы. Также протокол позволяет включить проверку контрольных сумм. Но эта возможность не реализована, поскольку данные могут испортиться не только во время передачи, и потому их целостность должна проверяться выше уровня протокола, на уровне конкретного приложения. Дополнительно вычисляя и проверяя CRC на уровне протокола мы, скорее всего, только зря скушаем миллиамперы и займем flash-память. Да и вообще, я не убежден в надежности семибитных CRC.
Заключение
В качестве источников дополнительной информации я бы рекомендовал следующие:
Полную версию исходников к этому посту вы найдете на GitHub . Обратите внимание, что тамошний пример кода пишет на карту на уровне блоков, ничего не зная ни о каких файловых системах. Поэтому, если решите его запускать, советую выбрать SD-карту без особо ценных данных.
Вооружившись полученными сегодня знаниями, можно реализовать много безумных идей. Например, можно сделать RAID из SD-карточек, или устройство с интерфейсом SD-карты, сжимающее и/или шифрующее данные. Или вообще отправляющее их на сервер по беспроводной связи. Конечно же, совершенно не был затронут вопрос работы с файловыми системами. Ему будет посвящена одна из следующих заметок.
На этом у меня пока все. А доводилось ли вам использовать SD-карты в своих проектах, и если да, то для каких задач?
Как известно, карты памяти SD совместимы с интерфейсом SPI, поэтому их легко можно подключить к микроконтроллеру и наладить с ними обмен данными. Адаптеры для карт типа microSD также являются доступными, из такого адаптера мы можем изготовить слот для карты microSD для нашего макета. На фотографиях ниже показан внешний вид изготовленного адаптера для подключения к макетной плате.
В проект изначально использовалась карта памяти microSD объемом 1 ГБайт. Микроконтроллер - ATmega8 или ATmega32, работающий на частоте 8 МГц от внутреннего RC осциллятора. Кроме того, для подключения макета к персональному компьютеру для мониторинга данных использовался интерфейс RS-232. Для преобразования логических уровней интерфейса используется микросхема MAX232 . Для питания схемы необходим стабилизированный источник питания 3.3 В (микросхема MAX232 рассчитана на напряжение питания 5 В, однако, как показала практика, сохраняет работоспособность при 3.3 В). Подключение карты памяти по 7-проводной схеме, согласно распиновке (см. рис).
Принципиальная схема для микроконтроллера ATmega8.
Подтягивающие резисторы R1, R2 номиналом 51 кОм интерфейса SPI придают лучшую стабильность при работе с различными картами. Стабилитроны D1, D2 предназначены для защиты карты памяти при работе внутрисхемного программатора (ISP). Выводы микросхемы MAX232 VCC и GND на схемах не указаны, но их необходимо подкличить к соответствующим точкам схемы.
Принципиальная схема для микроконтроллера ATmega32
Принципиальная схема для микроконтроллера ATmega32 (добавлены часы реального времени на микросхеме DS1307)
Как вы заметили, питание последнего варианта устройства осуществляется от источника 12 В, а на плате установлены два регулятора напряжения 5.0 В (LM7805) и 3.3 В (LM1117-3.3). Для питания интерфейса SD карты используется 3.3 В, вся остальная часть схемы питается от источника 5.0 В. Микросхема часов реального времени DS1307 в стандартном включении и подключена к интерфейсу I2C микроконтроллера.
Сперва был изучен «сырой» формат передачи данных, на примере операций чтения любого блока данных, чтения и записи нескольких блоков данных, стирания нескольких блоков, записи данных в любой блок памяти SD. Устройство, собранное на макетной плате, подключалось к компьютеру по интерфейсу RS-232. Для отображения прочитанных данных с карты памяти, а также для ввода и записи данных на карту используется программа HyperTerminal (или аналогичная) на компьютере.
После удачной реализации обмена данными без спецификации, карта памяти была отформатирована (FAT32) в операционной системе Windows XP, затем на карту были записаны несколько текстовых файлов, директорий и другие типы файлов (в корневую директорию карты). После этого были написаны подпрограммы и функции по работе с файловой системой FAT32 для чтения файлов, для получения списка файлов на карте памяти (с использованием HiperTerminal), для получения информации о полном и свободном объеме памяти.
Вид окна программы HiperTerminal с функциями по работе с картой памяти SD:
Пользователю предлагаются свыше 10 опций по работе с картой памяти (для варианта с часами).
Опции 0 - 4
- это низкоуровневые функции. Gосле использования опций 0 - 3 Вам необходимо переформатировать карту перед использованием FAT32 подпрограмм.
Опции 5 - 9
- относятся к файловой системе FAT32. На данный момент поддерживаются только короткие имена файлов (8 Байт - имя файла, 3 Байта - расширение файла). Если будут записаны файлы с длинными именами, то они будут отображены в терминальной программе в коротком формате. Для тестирования этих опций не забудьте отформатировать карту в файловой системе FAT32, записать несколько директорий и текстовых файлов.
Описание опций:
0 - Erase Blocks
- стирание выбранного количества блоков начиная с указанного.
1 - Write Single Block
- запись данных в блок с определенным адресом. Данные вводятся с клавиатуры в программе Hiperterminal;
2 - Read Single Block
- чтение данных с блока с определенным адресом. Прочитанные данные отображаются в окне терминальной программы;
3 - Writing multiple blocks
- запись нескольких блоков, начиная с определенного адреса;
4 - Reading multiple blocks
- чтение нескольких блоков, начиная с определенного адреса.
Примечание. Здесь функции работы с несколькими блоками (опции 3 и 4) отключены из-за нехватки памяти микроконтроллера ATmega8, поскольку эти функции не нужны для тестирования файловой системы FAT32. Для включения этих опций необходимо удалить макрос в файле SD_routines.h (#define FAT_TESTING_ONLY). И, если Вы используете ATmega8, на время тестирования опций 3 и 4 библиотека FAT32 может быть удалена с целью освобождения памяти микроконтроллера.
5 - Get File List
- отображает список доступных директорий и файлов с занимаемым ими объемом памяти (в корневой директории карты);
6 - Read File
- чтение указанного файла и отображение содержимого в окне терминальной программы;
7 - Create File
- создать/добавить файл с указанным именем;
8 - Delete File
- удалить все файлы файл с указанным именем;
9 - Read SD Memory Capacity
- информация о полном и свободном объеме карты памяти (используется FSinfo сектор SD карты).
В терминальной программе последовательный порт настраивается на скорость обмена 19200 бод, без контроля потока и без проверки четности.
Для версии с часами реального времени (DS1307) на микроконтроллере ATmega32 свойства создаваемых или обновляемых файлов привязываются к дате и времени (дата создания/изменения), эти свойства прописываются в файловой таблице и могут быть проверены с помощью компьютера, а также часы могут быть полезны при сборе данных. В меню опций в терминальной программе добавлены три опции.