О Secure Digital (SD) картах

Для чего эта статья?

Все эмбеддеры, рано или поздно, сталкиваются с проблемой нехватки ПЗУ микроконтроллера для своих проектов. Ну банально, Вам нужно разработать систему управления простеньким ЧПУ станком, где управляющая программа хранится на самом девайсе или систему сбора данных, скажем, от датчиков какого-нибудь эксперимента – очевидно, что микроконтроллер изначально не предназначался для хранения таких массивов информации.

Решений сего кейса масса, начиная от приобретения и подключения микросхем EEPROM и заканчивая коннектом стандартной USB флешки к аппаратному USB хосту камня (если таковой имеется, конечно). Ну, а для хэнд-майд проектов, отличным вариантом будет самая, что ни на есть классическая SD’шная карта памяти. Они бывают разного типа, имеют различные механизмы инициализации и передачи данных и подключаются к хосту через различные интерфейсы (их, правда, только три, но об этом позже). Более того, многие современные микроконтроллеры имеют на своем борту аппаратные модули этих интерфейсов, и работа разработчика сводится лишь к их конфигу и посылу карточке нужных команд в соответствии с протоколом. Ну и еще карты памяти имеют приятное свойство элементарно покупаться на каждом шагу.

Не буду переписывать Википедию – приведу здесь основные сведения и виды SD карт памяти и их характеристики.
Secure Digital формат – популярный (пожалуй, самый популярный на сегодняшний день) формат flash памяти для использования, в основном, в портативных устройствах. Внутри каждой такой карточки имеется, собственно, микросхема flash памяти (Memory Core) и, связывающий ее с внешним миром контроллер, имеющий 8 регистров. Задачи последнего – аппаратная реализация внешних интерфейсов, поддержка информации о карте (тип, емкость, класс скорости еще куча других характеристик), контроль электропитания, и, конечно, управление самой микрухой памяти (адресация, чтение, запись, очистка и оганизация порядка 80 команд управления).

Формат SD был основан компаниями Panasonic, SanDisk и Toshiba на основе MMC карт. Позже эти компании создали организацию SD Card Association, в настоящее время занимающуюся разработкой и продвижением технологии SD. Основной документ, в котором досконально описан интерфейс, протокол, команды, регистры карточек — Physical Layer Simplified Specification (©Copyright 2001-2006 SD Group (Panasonic, SanDisk, Toshiba) and SD Card Association). Штука, разумеется, платная и стоит порядка 2000 баксов. Именно эту информацию используют всякие R&D центры при разработки аппаратного и программного обеспечения своих будущих девайсов. Но, разумеется, файлик благополучно лежит в свободном доступе в инете, и скачать его не предоставляется никаких сложностей. Так вот, в соответствии с этим документом, существуют следующие типы карт памяти:
• SD карты (или еще SDSC (Secure Digital Standard Capacity) ) – первое поколение карт памяти. Ограничение по объему – 2 Гб. Минимальный размер адресуемого пространства – 1 байт.
• SDHC карты (Secure Digital High Capacity) – карты памяти повышенной емкости (до 32 Гб). Имеют существенное отличие от первого типа, а именно, адресация происходит блоками по 512 байт и никто в этом мире не может изменить это значение. Иными словами, нельзя просто так взять и записать, к примеру, 71 байт информации: минимальный размер пачки, повторюсь, 512 байт. Особо не копал, почему так, но есть личное мнение, что это из-за используемого 32-битного адресного пространства контроллера и из-за того, что карты памяти обычно форматируются под ту или иную файловую систему, размер кластера которой удобно сочетается с такими блоками. Еще у SDHC карт дугой процесс инициализации, о котором поговорим чутка по позже.
• SDXC (Secure Digital eXtended Capacity) – карты памяти расширенной емкости – теоретически аж до 2Tб памяти. Адресация тоже по 512 байт. Вот оно и получается при 32-битном пространстве: (2^32)*512 = 2 Тб.

На каждое поколение карт существуют спецификации, и при этом в каждом документе на более новое поколение описывается инфа о старых – то есть они «толстеют» с каждым обновлением продукта. Так что скачиваем Physical Layer Simplified Specification самой последней версии и находим там все, что надо для работы со всеми поколениями карт. Кроме этого, карты памяти делятся на несколько классов по скорости чтения/записи данных. Ну, а что касается всяких там mini-, microSD, microSDXC и т.д. – это всего лишь другой размер корпуса и распиновка – никаких внутренних отличий от карточек стандартных габарит.

А теперь важно: ВНЕ зависимости от типа карты, емкости, ее производителя, типа корпуса, цвета и магазина, где вы ее купили – все Security Digital карты имеют одинаковые интерфейсы взаимодействия с внешним миром. Команды, механизмы инициализации – разные, да, но интерфейсы – ОДИНАКОВЫЕ. Именно это позволяет напофиг воткнуть в фотик как SD, так и SDHC карту памяти. Ну, вот и пришел момент обсудить язык карточки, а точнее аж три: SD и UHS-II (нэйтив спикер) и «язык универсальной микропроцессорной коммуникации, который сейчас знает каждая ~~нерезаная собака~~ микроконтроллер» — SPI.

Интерфейс карты памяти

Как было сказано выше, Security Digital карты имеют три внешних интерфейса: SD, UHS-II и SPI. Первые являются «родными» каналами обмена данными с хостом, и, как следствие, позволяют реализовать полнофункциональное, полноскоростное взаимодействие. SPI же не поддерживает ряда команд и не дает максимальной скорости обмена данными, зато он есть во всех микроконтроллерах (и в современных и в старых моделях), что делает возможным без особых проблем приконнектить карточку ко всему, что плохо лежит. Существует масса статей о том, как это сделать. Но, с развитием микропроцессорной техники, с уменьшением нанометров в технологическом процессе производства камней, SPI интерфейс, как средство коммуникации с SD картой постепенно отмирает. Действительно, если ваш МК поддерживает аппаратную реализацию SD протокола, будите ли Вы связываться с менее функциональной альтернативой? Судьба послала мне на проект камень Stm32f4 от STMicroelectronics, в котором как раз таки и имеется периферийный модуль SDIO (Security Digital Input Output), аппаратно реализующий и интерфейс, и протокол карточки.

Так что же такое SD протокол и с чем его едят? Ключевых понятий тут три:

• команда – последовательность битов, воспринимаемых контроллером карточки и призывающих его к тому или иному действию;

• отклик – ответ контроллера карты на команду. Он может содержать как общую информацию (статус карты, текущее состояние различных внутренних модулей и т.д.), так и, собственно, ожидаемую хостом информацию (запросили в команде идентификатор карты – получили его в отклике);

• данные – ну тут без комментариев.

Но прежде, чем посмотрим на логику протокола, обратимся к физике интерфейса (очень обзорно).

Pin 4 – питание карточки;

Pin 3, 6 – земля;

Pin 5 – тактовый сигнал;

Pin 2 – линия команд и откликов;

Pin 1, 7, 8, 9 – линии 4-битной шины данных.

Все посылки карточке и обратно есть последовательности битов, строго синхронизированные с тактовым сигналом, передаваемым по линии CLK. Рекомендуемые частоты описаны в спецификации на карту и имеют различное значение, в зависимости от ее типа и класса скорости. Отмечу только, что для любой карты инициализация проходит на очень малой (по сравнению с передачей данных) частоте. Шина данных может быть 1-битной (работает только D0) или 4-битной – это конфигурируется при инициализации. Важно, что для SD карт со стороны хоста линии данных и команд должны быть Push-Pull и быть подтянуты к питанию через резисторы 4.5 – 10 кОм. Тактовую шину тоже нужно подтянуть к питанию.

Ну, а теперь к протоколу!

Бывает несколько вариантов обмена информацией хост – карта.

1) Команды без данных.

Все команды делятся на требующие и не требующие отклик.

Как видно из рисунка, если нам (хосту) нужно послать команду, не требующую отклика – просто шлем ее. Если же, команда подразумевает некий ответ, шлем, а затем ждем ответа. Почти все команды и отклики проверяются контрольной суммой, как со стороны хоста, так и со стороны карты. Ну, посмотрим на формат команды:

Кадр состоит из 48 бит. Первый – старт бит – всегда нуль. Затем, говорим, что данные направляются от хоста к карте и посылаем команду с аргументом. Да, да, команда состоит из индекса и аргумента. После команды обязательно шлем 7-битную контрольную сумму, вычисляемую по алгоритму циклически избыточного кода (CRC) и завершаем посылку стоп битом. Команды бывают двух типов: CMD (базовые команды) и ACMD (Application-Specific Command). Они могут быть с аргументом и без, иметь отклик и не иметь. Всего существует порядка 80 команд (не считал точно, может и больше) и каждая из них подробно описана в спецификации. Мы остановимся лишь на некоторых, необходимых для основной работы с карточкой (инициализация, чтение, запись). Индекс команды – это та цифра, которая идет после символов CMD или ACMD. Под него отведено 6 бит и 32 бита аргумента команды, если таковой требуется.

Важное пояснение по поводу ACMD: пространство их индексов пересекается с индексами CMD команд, поэтому, чтобы контроллер воспринял команду именно, как Application-Specific, ей должна предшествоватьCMD55!

Отклик (если требуется) – тоже целая тема, хотя бы, потому что их пять типов.

• R1 (normal response command) – длина 48 бит. Пожалуй, самый популярный отклик.

Содержит в себе старт бит, бит направления передачи (от карты к хосту), 6 битов индекса команды, побудившей на генерацию отклика, статус карты и, конечно же, контрольную сумму со стоп битом. Всю информацию в отклике этого типа несет32 битное поле статуса карты. В спецификации тщательно и добросовестно расписано, что означает каждый бит этого статуса (карта занята/свободна, блокирована/разблокирована, текущее состояние автомата передачи данных, готовность к тому или иному действию и многое другое).

• R1b – такой же формат, как и в случае R1 отклика, только передает еще флаг занятости (busy) по линии данных.

• R2 (CID, CSD register) – длинной в 136 бит отклик передает хосту содержимое CID и CSD регистров контроллера карточки.

Здесь вся полезная информация содержится в 127 битном поле, в которое помещается либо содержимое CID (в случае, если это отклик на CMD2 или CMD10 команду), либо содержимое CSD регистра (в случает посыла CMD9 команды). Так что же это за регистры такие, что под них специальные команды придуманы, да еще и с таким длинным откликом?
CID (Card identification data) – как видно из названия, содержит всю идентификационную информацию о карте (серийный номер, производитель, дата изготовления и др…). CSD (Card-specific data) – вся техническая информация о карте (объем памяти, размер блоков чтения/записи, максимальные скоростные характеристики, максимальные характеристики по потребляемому току в различных режимах и многое другое). Именно эту информацию использует хост мобилы или камеры для получения всей информации о вставленной карточке.

• R3 – длиной в 48 бит, приходит как ответ на команду ACMD41 и несет в себе информацию о содержимом OCR (Operation Conditions Register) регистра карты.

ACMD41 – команда инициализации карты. После ее посыла необходимо ожидать данного отклика, который будет говорить об успешном завершении процесса инициализации и сообщать содержимое регистра OCR (доступный диапазон напряжений, тип карты памяти, и флаг занятости).

• R6 (Published RCA response) – содержит в себе RCA (Relative card address)карты и некоторые статус биты.

Шина предполагает подключение нескольких карт к одному хосту. Поэтому очень важно такое понятие, как собственный адрес карты на шине. Это и есть содержимое RCAрегистра.

• R7 (Card interface condition) – 48 битовый отклик на команду CMD8.

Карта оперирует определенным напряжением, ни больше не меньше. До инициализации необходимо это валидировать (об этом позже). В ответе карта посылает само напряжение (точнее значение, соответствующее этому диапазону) и некий чек паттерн (об это тоже позже).

2) Данные.

Напомню (это было сказано давно…), мы рассмотрели посыл команд и получение отклика от карты. Теперь самое время разобраться с тем, как же слать, собственно, данные. Повторюсь, делается это блоками по 512 байт (для SDHC карт) — все адресное пространство карты разбито на 512 байтовый ячейки. Посылке данных всегда должна предшествовать специальная команда, говорящая контроллеру карты о том, что данные вот-вот уже пойдут. А идут они, как я уже говорил – по 1- или 4-битной шине. Посмотрим на формат посылки данных к хосту от карты (чтение).

Возможны два режима передачи данных: одним блоком (block read operation) и несколькими блоками сразу (multiple block read operation). В любом случае, старт передачи и ее завершение происходят по специальной команде, обратите внимание, с откликом.

Обратная процедура (запись) осуществляется аналогичным образом, только между пачками обязательно присутствует busy, сигнализирующий о неготовности карты принять следующий блок (данные еще не записались во флэш карты).