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1、第一章 前言1.1 课题的意义现在越来越多的数码设备采用闪存作为移动存储的介质。像数码相机、MP3播放机、PDA、数码摄像机，甚至电视机都有内置的闪存卡。使用它，可以将移动设备上的数据通过读卡器转移到计算机中来。可以说，闪存已成为移动存储的主角。相应地，读卡器也成为移动应用中不可或缺的部分。读卡器与计算机的接口有多种，但USB接口是当今最流行的接口。USB ，是 Universal Serial Bus 的缩写，如果按中文直接翻译就是“通用串行总线”接口，它是一种串行总线系统，带有5V电压，支持即插即用功能，支持热拔插功能，最多能同时连入127个USB设备，由各个设备均分带宽。USB接口已渐渐
2、成为现今个人计算机上最重要接口之一，其发展与应用也越来越广泛，甚至成为一般消费性电子产品上，不可或缺的接口。在USB已逐渐成为PC必需的接口之一时，各种PC的电子消费产品也逐渐配置这种标准的接口。因此，USB I/O外围设备的设计，已成为电机、电子领域的工程师和学生必须学习的主要技术之一。SD卡存储卡广泛应用在数码相机等多种数码设备中，它结构简单，外形小巧，存储数据可靠，是理想的移动存储媒介。基于USB的SD读卡器将USB和SD卡紧密连在一起，无论是你外出旅游还是出差，无论是拍照或是摄影，都会让您感受到分外的轻松和方便。1.2 USB读卡器的研究现状随着集成电路工艺技术的发展，闪存内部电路密度
3、越来越大，每个晶体管的存储字节数也越来越多，从而使闪存的容量不断增大，目前已经有容量达1GB的闪存芯片。近几年各种形式的基于闪存的存储设备如雨后春笋般诞生，它们的外形结构丰富多彩，尺寸越来越小，容量越来越大，接口方式越来越灵活。我们来数数目前市场上还有哪几种闪存格式：Compact Flash Type I & II(CF)、Microdrive(MD)、Smart Media(SM)、Magic Gate(MG)、Secure Digital(SD)、ATA闪存卡。最为流行的，大概就属SM和CF了。最近又有一种新的格式“xD Picture Card(xD)”。毫无疑问，新格式还将不断推出。
4、正因为不同格式的闪存卡需要不同的读写设备，唯一的选择只能是拥有一块多功能读卡器。多功能读卡器则是可以兼容多种闪存卡，无论是SD卡、还是CF卡或者其他类型都可以轻松读取，这也正是移动应用需要的。1.3 本课题的要求与实现方案首先要实现USB总线通信，其次实现MCU对SD存储卡的读写，最后能实现一个类似U盘的功能。其实要实现U盘的功能就是对前面两项要求的结合。其关键是如何利用MCU做为中间桥梁，凭借可靠的硬件连接和三部分的接口程序模块代码，实现各模块间的数据传递和协议转换。这三部分的接口程序模块代码包括：1. MCU对SD卡读写程序模块。2. MCU对USB接口芯片软件控制程序模块，实现USB的高
5、速并行接口3. Mass Storage(大容量存储)类批量传输驱动设计程序模块。根据以上的三部分接口程序模块设计思想，整个系统的硬件结构框图如图1.1所示：图1.1 系统的硬件结构框图主控MCU采用飞利浦的89C51单片机P89C51RD2BN，接口芯片采用飞利浦的符合USB1.1规范的PDIUSBD12。第二章 主控单片机P89C51RD2BN简介2.1 概述P89C51RD2BN 具有64K 并行可编程的非易失性FLASH 程序存储器，并可实现对器件串行在系统编程(ISP) 和在应用中编程(IAP)。该器件可通过并行编程或在系统编程的方法对一个Flash 位进行编程，从而选择6 时钟或1
6、2 时钟模式。此外，也可通过时钟控制寄存器CKCON 中的X2 位选择6 时钟或12 时钟模式。该微控制器是80C51 微控制器的派生器件，是采用先CMOS 工艺制造的8 位微控制器。指令系统与80C51 完全相同。该器件有4 组8 位I/O 口3 个16 位定时/计数器、多中断源-4 中断优先级-嵌套的中断结构、1 个增强型UART 片内振荡器及时序电路。新增的特性使得P89C51RD2BN 成为功能更强大的微控制器，更好地支持应用于脉宽调制、高速I/O ，递增/递减计数能力（如电机控制）等场合。 2.2 P89C51RD2BN管脚图及特殊寄存器描述图2.1 P89C51RD2BN管脚图P8
7、9C51RD2BN的多数引脚有特殊用途，要配置相应的寄存器来选择管脚功能，P89C51RD2BN PDIP封装的管脚配置如图2.1所示。P89C51RD2BN PDIP封装的管脚配置和普通51单片机是一样的，其功能也差不多。这里就不详细介绍了。本课题只涉及到P0口、P1口和中断寄存器等的使用。所以这里只介绍中断功能寄存器。2.2.1 中断优先级结构P89C51RD2BN 有7个中断源，4个中断优先级。中断优先级和3个特殊功能寄存器相关，他们分别是IE、IP、IPH。寄存器IPH（中断优先级高）组成4 级中断，结构IPH 的地址位于SFR中的B7H。IPH 寄存器及其位的描述。IPH 寄存器的功
8、能很简单，IPH和IP组合使用决定每一个中断的优先级。如表2.1所示：表2.1 中断优先级优先级位中断优先级IPH.xIP.x000 级(最低级)011级102级113 级(最高级)1、IE(0A8H)特殊功能寄存器 7 6 5 4 3 2 1 0EAECET2ESET1EX1ET0EX0（使能位=1，使能中断 使能位=0，禁止中断） 位 标号 功能IE.7 EA 全局禁止位。如果EA=0，禁止所有中断。如果EA=1， 通过置位或清除使能位，对应的每个中断被使能或禁止。IE.1 ET0 定时器0 中断使能位IE.0 EX0 外部中断0 使能位2、 IP(0B8H)寄存器 7 6 5 4 3 2
9、 1 0PT2PSPT1PX1PT0PX0（中断优先级控制位=1，定义为高优先级中断中断优先级控制位=0 ，定义为低优先级断） 位 标号 功能IP.1 PT0 定时器0 中断优先级控制位IP.0 PX0 外部中断0 中断优先级控制位3、 IPH(B7H)寄存器 7 6 5 4 3 2 1 0PT2HPSHPT1HPX1HPT0HPX0H（中断优先级控制位=1，定义为高优先级中断中断优先级控制位=0 ，定义为低优先级断） 位 标号 功能IPH.1 PT0H 定时器0 中断优先级控制位高IPH.0 PX0H 外部中断0 中断优先级控制位高本次课题只用到外部中断0（INT0 P3.2）,所以只要在程
10、序对寄存器相应的控制位赋值就可以控制中断和中断优先级，这是和普通51单片机是一样的。第三章 SD卡读写模块设计3.1 SD存储卡简介SD存储卡（Secure Digital Memory Card）是一种大容量（最大4GB）、性价比高，体积小，携带方便，访问接口简单的存储卡。像数码相机、MP3播放机、PDA、数码摄像机等越来越多的数码设备都采用SD卡作为其存储载体。SD存储卡的物理外形、引脚分配和数据传输协议都向前兼容多媒体卡（MultiMediaCard），但也增加了一些内容。总之，SD卡具有低功耗、非易失性、保存数据无需消耗能量的特点。SD存储卡的通信基于一个高级的9引脚接口（时钟、命令、
11、4条数据线和3条电源线），可以在最高25MHz频率和低电压范围内工作。通信协议也是本规范的一部分。SD存储卡的主机接口也支持常规的多媒体卡操作。也就是说向前兼容多媒体卡。实际上，SD存储卡和多媒体卡的主要区别在初始化过程。3.1.1 SD卡外部与内部的结构SD卡的外形和接口接触点如图所示。其中SD卡的外形尺寸为：24mm x 32mm x 2.1mm(普通)或24mm x 32mm x 1.4mm(薄SD卡)。见图3.1。WP往上推：可写WP往下推：不可写图. SD卡外观引脚图SD卡的引脚含义如下表3.1所示表3.1 SD存储卡的焊盘分配引脚SD模式SPI模式名称1类型描述名称类型描述1CD/
12、DAT32I/O/PP3卡的检测/数据线Bit 3CSI片选（低电平有效）2CMDPP命令响应DII数据输入3VSS1S电源地VSSS电源地4VDDS电源VDDS电源5CLKI时钟SCLKI时钟6VSS2S电源地VSS2S电源地7DAT0I/O/PP数据线Bit 0DOO/PP数据输出8DAT1I/O/PP数据线Bit 1RSV9DAT2I/O/PP数据线Bit 2RSVSD卡的内部结构如图3.2所示：图3.2 SD卡内部结构由图3.2左图所示，主机访问卡的外部信号线并不与存储器内核直接相连，而是通过卡的接口控制器与存储器内核接口相连。这样，主机并不直接访问存储器，而是通过卡的接口控制器来访问
13、存储器。卡的接口控制器连接着卡的寄存器，如OCR、CID、CSD、SCR等，这些寄存器主要用于记录卡的相关信息及状态。SD卡的主要部分为存储器内核，用于保护数据。由图3.2右图是SD卡存储器阵列的划分。含义如下：(1) 块（Block）：该单位以块为单位进行读/写的命令。块的大小为字节的整数倍。块的大小可固定、可编程。通常在读写SD卡之前设置块的长度。其相关信息保存在卡的CSD寄存器中。(2) 扇区（Sector）：扇区的大小是多少个块，它的大小是固定的。其相关信息保存在卡的CSD寄存器中。(3) 写保护组（WP Group）：该单位为写保护的最小单位，写保护功能的保护单位为一个写保护组。组的
14、大小是多少个扇区，它的大小是固定的，其相关信息保存在卡的CSD寄存器中。SD卡数据以字节为单位传输。但对卡的操作必须以块的方式进行。某张SD卡的写保护组、扇区、块可以有以下关系：1 WP Group = 128 Sectors =128 * 32 Block3.1.2 SD卡的相关寄存器简介由SD卡内部结构图(图3.2)可以知道SD卡包含的寄存器分别是OCR、CID、RCA、DSR、CSD、SCR，除此以外，SD卡还有卡状态（Card Status）和SD状态（SD Status）寄存器。下面将介绍个别寄存器的内容和作用。各寄存器的结构以及详细介参考文献3。1. OCR寄存器OCR寄存器是卡的工作寄存器，保存SD卡的供电电源允许范围，它有32位。2. CID寄
