拓展MAXQ2000的外部存储器空间的技术方案

1、拓展MAXQ2000存储空间是必然趋势

　　通过以下MAXQ2000架构特点分析，看出利用SD存储介质扩展MAXQ2000非易失性数据存储空间的必要。

　　MAQ2000是微控制器集成一个16位CPU、64kB闪存、2kB SRAM，以及4x36字段LCD控制器。MXQ2000的33条指令中的每一条都可以简化为向目标寄存器/存储器单元中写—个立即数，或在寄存器/存储器单元之间传送数据，见图1MAXQ2000架构与存储空间示意图。

　　具有访问MAXQ固定用途ROM中提供函数的特点：由于MAXQ内核的单周期特征，应用软件无法直接读取代码空间，因此无法直接访问应用程序代码中定义的任何表。为了解决这个问题，所有的MAXQ固定用途ROM中都包含一些子程序，用来访问存储在程序空间中的数据与表。除了这些函数，每个MAXQ衍生产品的ROM中都具有专门用于这部分的子程序。由于这些函数可能位于ROM中的任何位置，而且在不同的ROM修订本中位置可能不同，因此开发了标准的技术专门用来访问这些子程序。这样就允许为一个版本的ROM编写的代码，可以用于随后的所有修订本，而无需重新编写或编译代码。

　　MAXQ20能够寻址64k字的代码空间(也就是64kB指令)与64k字(128kB)的数据空间。注意，对于一个基于MAXQ20内核的处理器来说，这些存储器空间大部分是空的。另外，由于固定用途ROM与数据RAM位于代码空间的高32kb内，访问这一区域的用户代码需要用到专门的内核特性。

　　由此看来，MAXQ架构是非常简单的概念，所有操作终都用简单的传送操作来实现。而架构上的简化对软件开发者很理想，可以在绝大多数应用中优化代码开发，使用尽可能的存储器要求。而低功耗、低噪声的MAXQ2000微控制器是要适合于多种应用，虽然MAXQ2000在闪存中存储非易失性数据，能和用户代码空间共享32k字(64kB)的闪存容量，但如果你的应用需要更多的非易失性存储器那其存储结构显示不能满足需要，怎么办呢？在实践中使用安全数码(SD)存储介质来扩展MAXQ2000的非易失性数据存储器不失为一种理想方案。为此，本文将就该方案的设计思想、实现技术特征与实现方法等作研讨。

2、拓展MAXQ2000外部存储器的设计思想

　　对于应用设计来说，首要应该考虑电源电压和电流的要求。在典型的MAXQ2000应用中，可采用一个双路线性稳压器，从而在所选的时钟频率下使处理器工作于尽可能低的电压(VDD)下。MAXQ2000的VDD电压可低至1.8V。VDDIO为MAXQ2000的I/O引脚供电，允许的电压范围至VDD，可达3.6V。可接受的外部存储器电流消耗受限于电源的额定电流，对于电池供电设备，则电流消耗受限于电池系统的容量。

　　在保证能为目标应用提供足够带宽的前提下，应将连接外部存储器的MAXQ2000 I/O数限制到少。例如，Atmel的AT29LV512闪存芯片与一个主机微控制器连接时，需要15条地址线、8条数据线和3条控制线。由于MAXQ2000没有外部地址/数据总线，在上述例子中，就需要由软件来控制总线事务。而对于某些应用来说，这种方法不能很有效地利用MAXQ2000的I/O引脚。众所周知，基于SPI和 的外部闪存器件只需要3到4个接口引脚，而恰好MAXQ2000具有一个硬件SPI模块，而在MAXQ2000上必须由用户通过软件实现(即“位模拟”)。这种集成功能使得SPI接口成为访问外部非易失性存储器的主要途径。

3、非易失性外部存储器SD存储卡的应用特征

　　SD存储介质是一种非易失性外部存储器，可满足许多应用的上述要求。SD格式是“多媒体卡”(MMC)格式的继任产品。SD卡存储器一般工作于3.3V电压，具有适度的电流要求。SD卡的容量从几兆字节到4GB不等。容量范围如此之宽，可为众多应用提供充足的外部存储空间。

　　由于SD卡采用专有的共享总线，乍一看，似乎很难与MAXQ2000接口。然而，SD继承了MMC的第二总线格式-SPI。由于MAXQ2000提供SPI硬件支持，连接非常容易。图2给出了一个MAXQ2000与SD存储卡连接应用电路示意图。SD卡要求全双工、8位SPI操作。数据从MAXQ2000的MOSI引脚同步输入SD卡的DI引脚，并由SD卡的DO线同步输入MAXQ2000的MISO引脚。数据在CLK信号的上升沿同步输入和输出。在每次数据传输的末尾还必须提供8个额外的时钟，以允许SD完成任何未完结的操作。对应这些额外时钟的输人数据必须全为1。识别阶段的时钟频率必须限定在400kHz以内，但SD卡一经识别后，时钟频率便可提高到25MHz。

　　MAXQ2000包含一个硬件SPI模块，可以方便地针对SD卡接口进行配置。为了配置时钟极性和数据长度，需将SPICF寄存器置为全零。这种SPI模块配置在时钟的上升沿锁存数据，并将数据长度设置为8位。对于本应用，MAXQ2000的系统时钟频率为16MHz。在这种情况下，需要将SPICK寄存器置为0×28，从而使SPI时钟频率接近380kHz。必须将SPICN寄存器的低2位置位，以使能SPI主机模式。

4、SD SPI数据格式与命令格式

SD SPI数据格式

　　SD卡的SPI协议与SD总线协议相似。如果一片SD卡没有数据要发送，则将DO引脚保持在全1的空闲状态，因此不是在每个时钟沿都从SD卡的DO引脚接收有效数据。当SD卡有数据要回送给主机时，要在数据之前先发送一些以0为起始位的特定令牌。当这些令牌发送完毕之后，SD卡要发送的所有定长数据立即被发送出去。由于接收器事先已经知道要接收的字节数，因而响应中不包含表征长度的字节。此外，由于在起始令牌和数据都发送完毕后才会进入空闲状态，所以全部数据字节都以不带前缀的原始形式发送。和总线上其它所有通信过程一样，令牌大小也要和SPI传输的8位边界对齐。主机发送给SD卡的指令和数据都遵循类似的格式，以全l指示总线空闲。除了状态令牌以外，所有传输都由附加在数据末尾的循环冗余校验(CRC)码进行保护。系统提供两种CRC算法：CRC-7用于小数据块，CRC-16则用于大数据块。CRC是SDSPI接口的可选部分，但除非应用系统限制它的使用，否则应该使用CRC来确保数据的完整性。

　　发送给SD卡的SPI模式SD命令采用6字节的格式，见图3所示。命令的第1个字节可通过将6位命令码与16进制码0×40进行或运算得到。如果命令需要，则在接下来的4个字节中提供一个32位的参数；1个字节包含了从第1个字节到第5个字节的CRC-7校验和。

5、拓展MAXQ2000外部存储器的实现

5.1首先将SD卡初始化为SPl模式

　　刚上电时，SD卡缺省使用专有的SD总线协议。为了将SD卡切换到SPI模式，主机应发出命令0(GO-IDLE-STATE)。SD卡会检测到SPI模式选择信息，因为卡选择(CS)引脚在该命令和其它所有SPI命令传送过程中都保持为低电平。SD卡以R1响应(见图4所示)作为应答，R1响应指示发出的命令是否成功执行。空闲状态位被置为高电平，表明SD卡已进入空闲状态。为了保持与MMC卡的兼容性，此阶段的SPI时钟频率一定不能超过400kHz。

　　SD卡进入SPI模式后，SD规范要求主机在进行其它任何请求之前先发送一条初始化命令。为了能区分MMC卡和SD卡，SD卡采用了一种不同的初始化命令，MMC卡对该命令是不响应的。先向卡发送命令55(APP-CMD)，紧接着再发送应用命令4l(SEND-OP-COND)，这样即完成了这个重要的步骤。MMC卡对命令55不做回应，通过这一点可鉴别出MMC卡，并将其视作无效介质而拒绝访问。这个命令序列要一直重复执行，直到来自存储卡的R1响应中所有位均为0(也就是说，IDLE位变为低)才停止。

　　SD卡包含了一些重要的寄存器，用来提供SD卡的相关信息。重要的寄存器是存储卡特定数据寄存器(CSD)。对于我们的应用示例而言，我们感兴趣的是存储器的数据块大小和总容量。我们还必须对存储卡标识数据寄存器(CID)加以注意，因为它包含了存储卡的制造商详细信息和序列号。

5.2从SD卡到主机的数据传输要加入一个起始令牌作为前缀

　　要读取存储卡的寄存器或数据块，首先必须理解存储卡如何响应我们的请求，即检查SD卡的响应。

　　在SPI模式下，SD卡以R1应答SEND-CSD(9)、SEND_CID(10)和READ_SINGLE_BLOCK(17)命令。接着则是一个起始令牌，然后是所请求的数据，是数据的CRC—16校验和。我们不能想当然地认为数据起始令牌是紧接着R1响应即刻发出的，因为总线在这两个事件之间会进入空闲状态一段时间。

5.3读取CSD寄存器和CID寄存器的元数据

　　使用SEND CSD和SEND_CID命令可返回寄存器的内容，以便确定SD卡的参数。这些命令分别返回与CSD或CID寄存器容量大小一致的固定数量的字节。SEND命令字节中包含的参数被SD卡忽略。

5.4从SD卡中读取一个数据块

　　从SD卡中读取一个数据块是相当简单的。主机发出READ_SINGLE_BLOCK命令，并将起始字节地址作为参数。这个地址必须和介质上一个块的起始位置对齐。然后SD卡会验证这个字节地址，并以一个R1命令作为响应。如果命令中的地址越界，则会在命令响应中指示这种情况。如果完成了SD介质的读取操作并且没有错误发生，则先发送一个起始数据令牌，接着是固定数量的数据，是两个字节的CRC—16校验和。如果SD卡碰到硬件故障或介质读取错误，则不会发送起始数据令牌。而是发送一个错误令牌，数据传输随之中止。

5.5主机到SD卡的数据传输

　　写入一个数据块(即向SD卡中写入一个数据块)和读取数据块类似，即主机必须提供一个与SD卡数据块边界对齐的字节地址。写人数据块的大小必须与READ BL LEN相同，一般为51 2字节。通过发出WRITE—BLOCK24)命令启动写操作过程，SD卡将以R1命令响应格式进行应答。如果命令响应表明写操作可以进行，则主机发送数据起始令牌，接着是固定数量的数据字节，以发送数据的CRC-16校验和结束。SD卡返回一个数据响应令牌以指示待写入的数据是否被接受。如果数据被接受，SD卡会在存储卡忙时始终将DO线保持为低电平。存储卡忙期间，主机不必始终将卡选择线保持为低电平，如果解除CS选择状态，SD卡将释放DO线。当多于一个的设备与SPI总线连接时，上述处理方式非常有用。主机可以一直等待SD卡释放忙指示标志，也可以定期触发片选信号以检查存储卡的工作状态。如果卡仍然处于忙状态，它会将DO线拉低以指示该状态。否则，存储卡会使DO线返回至空闲状态，见图5所示。从图中可看出，从主机到SD卡的数据传输使用一套更为复杂的握手机制。

5.6、SPl命令与数据错误检测

　　可利用CRC-7和CRC-16校验来检测主机与SD卡间的通信错误。如果因物理因素而导致错误发生，如在插入、移除时的触点抖动，或是可拆卸介质固有的接触不良状况，错误检测机制可实现坚固的错误恢复功能。我们强烈建议使用校验和机制，这可以通过发出CRC ON OFF(59)命令并将参数的位置为高来启动该功能。

6、结论

　　SD存储卡为嵌入式系统提供了一种紧凑和低功耗的非易失性存储器方案。利用MAXQ2000微控制器提供的硬件SPI模块，能以极少的开销访问SD介质卡。