MultiMediacard及其与单片机接口_单片机论文
关键词：multimediacard 串行flash存储卡 ＰＩＣ单片机 接口
1 概述
sandisc公司推出的大大容量串行flash存储器产品——multimediacard(mmc)，通常叫作多媒体卡。它的体积比smartmedia还要小，不怕冲击，可反复读写记录30万次，驱动电压2.7～3.6v,可变时钟频率范围为0～20mhz，目前常见的容量为64mb/128mb。atp electrionics公司已经率先推出了1gb的高容量mmc。除了体积小、寿命长、容量大等特性外，还具备存储区纠错能力；低功耗；5ms内没有接收到命令字后，自动转入休眠状态；支持热插拔等优点。mmc可以格式化为fat文件系统，便于上位机读写。
2 mmc简介
2.1 引脚排列及功能
根据存储容量的不同，mmc有smdb和sdmj两种构成技术。smdb即二进制nand技术（binary nand），16mb和32mb容量的mmc卡采用此技术。目前常用的64mb和128mb的mmc采用sdmj，即mlc（multi level cell）nand技术。各容量的mmc卡，其外形尺寸及引脚排列相同，如图1所示。
mmc读写接口可以在mmc和spi两种通信 协议下工作。mmc是由mmca协会开发的高性能三线制通信协议，即cmd、clk、dat线，最大可寻址64000张mmc卡，单个地址可叠放30张卡，支持顺序读写及单/多数据块读写操作，是mmc卡默认的通信协议。spi协议为可选协议，工作效率不及mmc协议；但spi协议简单易用，兼容性好，便于和单片机连接使用。本设计采用spi通信协议，下文将详细介绍。
2．2 内部逻辑结构
mmc卡的内部逻辑结构可分为四部分：mmc/spi接口、单芯片控制器、数据闪存模块、控制线和数据线。mmc/spi接口实现与主控制器的通信。单芯片控制器完成接口协议、数据存储检索、纠错码算法、故障诊断处理、电源管理和时钟控制功能。数据内存模块可以实现整个存储空间内的单字节访问，它不是简单的字阵列，而是被分成了多种结构。512个字节构成1个扇区（sector）。根据mmc卡容量的不同，16或32个扇区构成1个擦除族（erase group）。32个擦除族构成1个写保护族（write protect group）。此设计使mmc操作灵活，使用方便。控制线和数据线实现数据存储区的访问，其内部逻辑结构如图2所示。
3 mmc/spi通信协议
mmc卡上电后，默认进入mmc模式。如果转入spi模式下工作，需进行模式切换。spi模式设定流程如图3所示。
如需从spi模式转入mmc模式，只能切断电源，重新上电，进入默认mmc模式。从实际应用角度出发，spi模式设计简单，操作方便，但数据传输速率逊于mmc模式。基于设计要求，笔者采用了spi通信协议。
4 存储器读写接口
4．1 spi接口及操作模式
spi接口是一种通用同步串行接口总线，字长为8位，用来与外部设备进行通信。spi接口利用clk、datain和dataout三根线进行数据的读写。其中，clk为时钟信号，有外部控制器提供；datain和dataout为数据输入和输出线。cs是mmc片选信号线，在整个spi操作过程中，必须保持低电平有效信号。
spi接口共有四种操作模式，分别为0、1、2和3。spi操作模式决定了设备接收和发送数据时的时钟相位和极性，即决定了时钟信号的上升和下降沿与数据流动方向之间的关系，如图4所示。本设计采用模式3。
4．2 mmc卡命令及答复信号
所有mmc卡命令字长度均为6个字节，传输从高位开始，且包含一个crc校验字。
命令字索引采用二进制编码。比如cmd0的索引位是000000，cmd39的索引位是100111。mmc卡命令字分为10个命令组，每组由多个命令字组成，完成mmc卡功能设定。spi模式下的sandisc mmc卡支持其中的6个命令组，可实现基本设定、数据块读、数据块写、擦除、写保护、mmc卡锁定功能。
mmc卡有多种应答信号格式，传输从高位开始。spi模式下，存在5种应答信号格式，分别为r1、r2、r3、busy、r1b。
接收到每个命令后，mmc卡都发送一个格式为r1的应答信号，卡状态查询命令字cmd13除外。此应答信号占1字节，最高位为0，低7位为错误标志。若某位为1，表示存在相应错误。
busy应答信号长度为多个字节。各位都为0，表示卡正忙。存在非零位表明卡已经准备好接收下一命令。
r2格式应答信号长度为2字节，用于答复卡状态查询命令字cmd13。首字节格式同r1，第2个字节表示的错误类型。
r3格式应答信号长度为5字节，答复卡内ocr豁口读命令cmd58。首字节格式同r1，其余4字节为ocr豁口内容。
r1b格式应答信号包括两部分，r1格式部分和busy格式可选附加部分。
4．3 mmc在spi模式下的传输时序
mmc在spi协议下读写时序如图5所示。主控制器发送读/写命令，当收到out传输互上正确的应答信号后，out/in传输线开始读/写操作。
5 mmc卡与单片机接口实例
5．1 硬件电路设计
图6为笔者采用sandisc公司容量为32mb的mmc卡设计的便携式数据采集系统的一部分。单片机采用美国microchip公司推出的pic16f73b。单片机的工作频率为4mhz，采用port c的硬件spi接口进行mmc卡的读写操作。
5．2 软件设计
访问mmc卡存储单元前，需要设定访问块长度。默认长度为512字节。本设计是通过写缓存芯片fm24cl64，达到512字节后转入主存mmc的（硬件电路图应作相应的修改），所以读写长度不再设定。mmc格式化为fat文件系统的结构后，数据以文件的形式为上位机所读取。
mmc接口部分软件设计流程如图7所示。
5．3 mmc卡spi初始化与写子程序
因为mmc可以在两种协议下工作，且默认为mmc操作模式，所以必须经过初始化才能在spi模式下工作。初始化和写子程序代码见www.dpj.com.cn。
图7