SD卡工作原理介绍和工作原理图

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1、1大容量 SD 卡在海洋数据存储中的应用 本设计使用 8 GB 的 SDHC(High Capacity SD Memory Card，大容量 SD 存储卡)，为了方便卡上数据在操作系统上的读取， 以及数据的进一步分析和处理，在 SDHC 卡上建立了 FAT32 文件系统。 海洋要素测量系统要求数据存储量大、安全性高，采用可插拔式存储卡是一种不错的选择。目前，可插拔式存储卡有 CF 卡、U 盘及 SD 卡。CF 卡不能与计算机直接通信；U 盘需要外扩接口芯片才能与单片机通信，增加了外形尺寸及功 耗；而 SD 卡具有耐用、可靠、安全、容量大、体积小、便于携带和兼容性好等优点，非常适合于测量系统长

2、期的数据 存储。 1 SD 卡接口的硬件设计 STM32F103xx 增强型系列是意法半导体公司生产的基于 Cortex-M3 的高性能的 32 位 RISC 内核，工作频率为 72 MHz， 内置高速存储器(128 KB 的闪存和 20 KB 的 SRAM)，以及丰富的增强 IO 端口和连接到 2 条 APB 总线的外设。 STM32F103xx 系列工作于-40+105的温度范围，供电电压为 2.03.6 V，与 SD 卡工作电压兼容，一系列的省电模式 可满足低功耗应用的要求。 SD 卡支持 SD 模式和 SPI 模式两种通信方式。采用 SPI 模式时，占用较少的 IO 资源。STM32F

3、103VB 包含串行外设 SPI 接口，可方便地与 SD 卡进行连接。通过 4 条信号线即可完成数据的传输，分别是时钟 SCLK、主机输入从机输出 MISO、主机输出从机输入 MOSI 和片选 CS。STM32F103VB 与 SD 卡卡座的接口电路如图 1 所示。SD 卡的最高数据读写速度为 10 MBs，接口电压为 2.73.6 V，具有 9 个引脚。SD 卡使用卡座代替传输电缆，减少了 环境干扰，降低了出错率，而且 1 对 1 传输没有共享信道的问题。SD 卡在 SPI 模式下各引脚的定义如表 1 所列。 2 SD 卡接口的软件设计 本设计采用 STM32F103VB 自带的串行外设 S

4、PI 接口与 SD 卡进行通信，这里只介绍 SPI 模式的通信方式。 2.1SD 卡的读写 先对 STM32F103VB 的 SPI_CRl(SPI 控制寄存器)以及 SPI_SR(SPI 状态寄存器)进行初始化设置，使能 SPI 并使用主机模 式；同时设置好时钟，在时钟上升沿锁存数据。SPI 通道传输的基本单位是字节，由 STM32F103VB 控制其和 SD 卡之 间的所有通信。 要读写 SD 卡，首先要对其进行初始化。初始化成功后，即可通过发送相应的读写命令对 SD 卡进行读写。SD 卡的读写 流程如图 2 所示。 2.2 SD1.x 与 SD2.0 标准的识别 由于大容量 SDHC 的

5、出现，SD1.x 满足不了 SDHC 的容量要求，标准已经升级为 SD2.0。但也因此出现了许多电子设备 无法驱动大容量 SD 卡的情况，如何识别 SD1.x 与 SD2.0 就显得尤为重要。SD2.0 的 SPI 模式初始化流程如图 3 所示。 判断是否为 SD2.0 卡，CMD8(SD2.0 新增的命令)是关键。若卡是 SD2.0，则发送 CMD8 将会返回有效响应；若是 SD1.x，则返回非法响应，这样就可以识别 SD 卡的类型。 SD1.x 与 SD2.0 的最大不同在于命令地址的表示。SD1.x 的地址单位是字节，而 SD2.0 的地址单位是扇区，地址仍然采 用 32 位 4 个字节

6、来表示。因此在读写操作时应该根据不同的卡对地址进行相应的处理，若是 SD1.x 则写入字节地址， 若为 SD2.0 则写入扇区地址。 3 FAT32 文件系统目前有 3 种 FAT 文件系统：FAT12、FAT16 和 FAT32。它们的区别在于文件分配表(File 2Allocation Table，FAT)中每一表项的大小(也就是所占的位数)：FAT12 为 12 位，FATl6 为 16 位，FAT32 为 32 位。本 设计选择 FAT32 文件系统。由于文件存储在硬盘上占用的存储器空间以簇为最小单位，FAT32 文件系统不适合管理容 量低于 512 MB 的存储器。簇如果太大，存储小

7、文件会浪费大量的存储空间；如果太小，FAT 表会变大，不方便管理。 综合考虑，FAT32 每簇大小为 4 KB。 3.1 FAT32 文件系统结构 FAT32 文件系统可以分为以下几部分；保留区(reserved region)，存放 FAT 文件系统的重要参数和引导程序；FAT 区 (FAT region)，记录簇(cluster)的使用情况；根目录区(root directory region)，记录根目录信息，FAT32 文件系统舍弃了 这个区，根目录区可以指定为任意一个簇；文件目录数据区 (file and directory data region)，是各种文件数据实际存放的区 域。

8、 保留区中的 BPB 表从扇区 0 偏移 11 个字节开始，共占 25 字 节。表 2 是格式化为 FAT32 文件系统的 8 GBSD 卡首扇区中 读出的 BPB 参数内容。逻辑加密存储卡芯片 AT88SC1604 卡的应用 摘 要：本文介绍了目前应用较为广泛的 AT88SC1604 逻辑加密卡的特点和工作原理，同时给出了通过单片机控制操作 IC 卡的的应用实例及程序。 前言IC 卡按结构划分，可分为存储器卡和微处理器卡（CPU card）两大类。逻辑加密卡与普通存储卡相比，内部结构 较复杂，其存储区可以分成卡片设置区和应用区。卡片设置区内存放与卡片厂商及发卡者相关代码和卡片密码；应用区 又

9、可以根据需要分为不同的分区。逻辑加密卡的安全性相对较高，体现在：卡片设立主密码、每个应用分区具有各自独 立的操作密码。逻辑加密卡主要控制作用是：对数据存储区开放/关闭的控制；对数据存储区读/写的控制；对数据存储 区擦除操作的控制以及对密码校验和错误次数计数及锁闭功能控制。 AT88SC1604 卡的工作原理AT88SC1604 是由美国 ATMEL 公司设计的逻辑加密存储卡芯片。它具有 15704 位的存储容量，是目前逻辑加密存 储卡中容量较大的一种产品芯片。 芯片特点(1) AT88SC1604 芯片属于单存储器多逻辑分区结构。主存储器除划分了特定的标志数据区和控制数据区之外， 还将应用数据

10、区分成四个完全隔离的子区，并在每个子区中配备了各自的读、写控制标志和写入/擦除密码以及密码输 入错误计数器等逻辑控制。(2) 芯片为串行传输方式，并满足 ISO7816-3 同步传输协议。3(3)芯片采用低功耗的 CMOS 工艺制造，每字位的读取时间为 s，写周期为 5ms。(4) 芯片内部的存储单元具有至少 10000 次的擦除/改写循环次数。数据保存期为 10 年。 芯片存储分区结构及定义AT88SC1604 芯片分为制造商代码区、发行商代码区、用户安全密码区、用户密码比较计数区、个人代码区以及四 个应用区。每个应用区都由密码区，密码比较计数区，擦除密码区和擦除密码比较计数区、应用数据区和

11、存储器测试区 组成。(1) 制造商代码区(FZ)该区里记录的卡芯片生产商的特定信息(例如:生产批号、日期、以及特别制定的特征代码)，由制造商在芯片出厂 前写入。在控制本区的熔丝(FUSHl)没有熔断时，该区的存储单元可以象普通的 EEPROM 存储单元一样进行擦除和改 写。一旦熔丝熔断，所写入的“制造商代码“就不可再更改。(2) 发行商代码区(IZ)该区用于记录卡片发行商的特定信息(例如:发行批号、日期、地区范围编号以及特定用户编号等特征代码)。当控 制本区的熔丝没有熔断时，该区的存储单元内容可以自由的擦除或改写。在个人化处理过程完成之后，控制该区的熔丝 (FUSH2)熔断，即可将注入的“发行

12、商代码”完全固化。这一代码也是识别卡片的真伪，区分卡片应用类别的重要标识。(3) 个人代码区(CPZ)该区用于存放个人身份标识数据。该区使用上受芯片的“用户密码”的保护。当“用户密码”比较成功，该区可读可 写可擦除。“用户密码”比较不成功，该区只能读而不能写入和擦除。(4) 用户密码区(SC)这个密码区是整个存储器的“总控制开关”。使用前，由授权持卡人预先输入的一个安全代码作为“参照字”储存在 这个存储区里。使用时，必须输入一个“校验密码”。芯片将输入的“校验密码”与内部存储器的“参照字”一一比较。如 果比较结果一致，IC 卡将开放整个芯片储存器(包括各分区的控制密码和各应用数据区)。各区的“

13、安全密码”区 SCn(n=l，2，3，4)与 SC 的作用是完全类似的。对于各分区的密码区 SCn (n1，2，3，4)来说，其比较操作要受到对应“应用区密码”比较计数器(SnAC)的计 数控制。当连续 8 次输入密码错误，SCn 将被锁死。(5) 密码比较计数区(SCAC)该区对连续输入的错误密码的次数进行累计。当连续 8 次不正确的比较操作之后，芯片将被锁死。芯片被锁死之后， 将拒绝任何的擦除、写入和比较的操作命令。该区是 8 位长，按位写入方式操作。在芯片初始化时是全“1”状态，即读出值为“FFH”。在每次比较输入的密码时， 先按从高位到低位的顺序找第一个为“1”的位，将此位写“0”，然

14、后将新输入的“校验密码”与原存储在 SC 区的“参照字” 进行比较。比较操作本身由芯片内部自行完成，而比较结果则通过置 SV 标志来判别，即比较成功时 SV 被置“1”。比较 不成功，SV 保持原来的“0”状态。在连续 8 次比较错误过程中每次比较操作之后计数器的计数值分别为“7FH”、 “3FH”、“1FH”、“0FH”、“07H”、“03H”、“01H”、“00H”。当计数器为“00H”后，后续的比较操作命令由于无法在 “SCAC”区中找到一个为“1”的位，因而芯片拒绝继续执行比较操作。SnAC(n1，2，3，4)的作用与 SCAC 是类似的。操作控制也完全一样。只是 SCAC 是限制对

15、SC 区的比较操作。 而 SnAC 则限制对 SCn 区的比较操作。SCAC 的控制级别最高。当 SCAC 为“00H”后，芯片内部封锁了对 SC 区的比较 操作，从而使对 SCn 的比较也被禁止。如果 SCAC 为非“00H”值，在对 SC 区的比较密码操作成功之后，SCn 能否进行 比较操作就由 SnAC 区的状态值来决定。SnAC 区在连续 8 次比较输入过程中，每次比较操作之后计数器的计数值与 SCAC 的 8 个值一样。(即分别为“7FH”、“3FH”、“1FH”、“0FH”、“07H”、“03H”、“OlH”、“00H”)当 SnAC 为 “00H”时，则“应用 n 区”将被锁死。

16、(6)擦除密码区(EZn ,nl.2,3,4)该区用于存储擦除应用区操作的控制密码。这些密码一般由发行商使用。在个人化处理时输入的最后一组“擦除密码”， 在芯片熔丝 FUSE2 熔断之后将使“擦除密码”保存在该区内。该区不再能读出、写入和擦除，只能进行比较操作。在使 用过程中如需对应用区进行擦除操作，都必须首先对相应的 EZ 区输送一个“擦除密码”与之比较，在“擦除密码比较计 数器”不为“00H”的情况下，如果相比较的两代码完全一致，则相应的应用区的单元允许擦除，否则将禁止执行擦除操 作。4(7) 擦除密码比较计数区(EnAC ,n=l，2，3，4)擦除密码比较计数区的作用与 SCAC 的作用相类似。它对各应用区擦除密码连续输入错误的次数进行累计。最多连 续 8 次不正确的密码比较之后，该区所控制的应用区的擦除操作即被锁死，从而导致该应用区有可能成为只读和允许单 次写入的状态。(8) 应用数据区(AZn ，n1，2，3，4)该区主要给用户使用。用于存储系统的相关数据记录和卡片标识等信息。应用数据区的写入与读出分别由该区的前 两位 Pn 和 Rn 以及