はじめに

　dsPICマイコンボードA33FにはMicroSDカードインターフェイスが付いています。ここではdsPICのSPIを使ってSDカードにアクセスし、データの読み書きを行ってみます。SDカードはMicroタイプで2007年11月現在で2Gバイトのものが売られており、コンビニなどでも購入でき、しかも安価な大容量外部記憶装置です。

　このページでは１６進数表示を 0x00 又は　00h　のように表します。
　
　※このページで紹介する内容はあくまでも一例です。個別の作成のご相談ご質問はお答えできませんのでご了承下さい。このページと同じ内容についてのご質問についてはロボット掲示板にてお願いいたします。

一般的なマイコンに搭載されているシリアル通信機能の代表的なものに、　UART(ユーアートと読む)、　SPI、 I2C(アイ・スクエア・シーと読む） などがあります。　UARTはコンピュータ間の通信などによく使われます。　I2Cは専用チップの設定などによくつかわれ、他の２つと違って複数の装置を１つの通信経路に接続できます。　SPIはメモリ装置などと高速でデータをやりとりするのによく使われます。今回のmicroSDはこのSPIでデータをやり取りします。

　高速で、とは言ってもシリアル通信なのでRAMのバス接続（データ線やアドレス線が数十本つながっている）などと比べると非常に遅く、ランダムアクセスなどは苦手です。SDカードも、あるきまったサイズを１つのブロックとして設定し、ブロック単位で読み書きします。通常は１ブロック５１２バイトに設定します。

　SPIはマスタ（主人）とスレイブ（奴隷）に別れ、マスタ側でクロックを生成してそのクロックのタイミングでデータをやりとりします。２つの機器はお互いにシフトレジスタというものをもっており、１ビット受信すると同時に１ビット送信します。たとえば１つのデータを８ビットとすると、８クロックで１つのデータを送信しつつ受信します。つまり８クロックでお互いのシフトレジスタの内容が交換されます。
　通信は全て、マスタ側での操作により行われます。スレイブ側で積極的になにかを通信することはしません。

　下はA33Fボード上の、dsPICとSDカードのブロック図（機能を簡単に表した図）です。この構成（A33Fの接続）ではdsPIC側が常にマスターとなります。SDカードにはSPIスレイブの機能が入っています。

　　　

　SPI1SRは「SPI1のシフトレジスタ」です。シフトレジスタは、１ビットづつ入ってきたデータを順番に格納するもので、dsPIC33Fの場合は１６ビットの幅があります。設定により８ビット幅で使うこともできます。今回は８ビット幅で使います。
　 SPI1BUFは「SPI1のバッファ」です。プログラムではここにアクセスして操作をします。シフトレジスタを直接操作することはできません。SPI1BUFも１６ビットの幅がありますが設定により８ビットにもできます。

　たとえば、今、dsPICからSDカードに１バイト、つまり８ビット（８クロック）分のデータを送りたいとします。この場合は以下の流れとなります。

＜送信＞
１）バッファ（SPI1BUF)にデータを入れる。
２）自動的にSPI１SRにデータがセットされる。
３）自動的に８クロックが生成され、SDO1を通じてSDカードに送られる。

このように送信の場合はSPI1BUFにデータを書き込むだけで自動的に送信されます。
次に受信です、

＜受信＞
１）バッファに適当な値を入れる。このとき、SDカードではすでにシフトレジスタにデータが入っているとする。
２）自動的に８クロック生成される。
３）SPI1BUFに入っていたデータはSDO1から出て行き、SDI1からはSDカードのシフトレジスタのデータが入ってくる。
４）８クロック終わった時点でSPIのステータスが受信終了になる。
５）受信終了になったか確認した上で、SPI1BUFのデータを読む

というようになります。つまり、データはぐるぐる回っているような状態になっています。

　他の機能と同じように、dsPICのSPIの端子も他の機能と共有になっていますので、SPIを有効にするかどうかなどの設定ができるようになっています。

dsPIC33Fデータシートより、

ハードウェアの接続は次のようになっています。

　　　

　　　※全回路図は製品に添付されています。


　上のブロック図と同じように結線されています。データ線は抵抗でプルアップ（動いていないときは強制的にHIGHになる。）されています。これはSDカードの仕様です。また、回路図にはありませんが、SDカードの中にもマイコンが入っていますので、電源ラインにはパスコンの役割の0.1uFのセラミックコンデンサが入っています。

　SDカードは３．３Vで動くので、A33Fと直結できます。

　MicroSDカードの端子は下のようになっています。非常に小さいです。私の手の小指のツメぐらいの大きさ。近くのスーパーで買いました。
　
　上の端子の説明はSPIモードの場合です。１と８番が使われていませんが、これはMMCモードの時に使用します。A33FではSPIモードで通信するのでこの２つは接続されていません。

　活線挿入（電源を入れたままコネクタを差すこと）を想定していますので、SDカードの電源端子は他の信号線と比べて長くなっており、信号線がつながる前にカードに電源が供給されるようになっているようです。

　A33Fのコネクタはプッシュ方式になっています。カードを差し込むとカチっととまり、取り出すときは押すと飛び出してきます。カードの種類によっては若干厚さが違うようで、動きがシブくて押しても飛び出さないものもありましたが、数回カチカチやっているとスムーズに動くようになります。上のマクセルの２GBもシブかったののですが、数回出し入れすると表面が少々削れて（上の写真の２GBの上の三角マークのとこるが少しケズれているのが見える）スムーズに動くようになりました。

　SDカードの中にはコンピュータが入っており、SPIモードの場合はSPI通信でコマンドを送って　

　・初期化
　・読み込み
　・書き込み

　などの処理を行います。


＜コマンドのフォーマット＞

　マスタ（ｄｓPIC）からSDカードにコマンドを送る場合には下のように６バイトのデータを送ります。先頭１バイトがコマンド、その後５バイトが引数、最後がCRCになります。それぞれビットに０と１が入っているビットは必ずその値にします。

　　　

・コマンド番号：
　ある決まった値をセットするとそれがある命令になります。次で説明します。

・引数：
　 コマンドの引数で、４バイト（３２ｂｉｔ）のデータを指定できます。データアドレスなどが入ります。

・ＣＲＣ７：
　データが正しく送られたかを確認するためのＣＲＣチェック符号が７ｂｉｔ分入ります。ＣＲＣ７の値は前５バイトの値から計算されます。これは結構複雑な計算になるのですが、SPIモードの場合は一番最初に送るコマンドの「CMD0」だけCRCを判定するので、初期化後はCRCの値は適当でもかまいません。フォーマットは６バイトと決まってますので、CRCを判定しないSPIモードになった後でも６バイト目は送る必要があります。
CMD0の場合、引数を全て０にすると、最後の６バイト目は 0x95 になります。

＜代表的なコマンド＞

　SDカードに対してコマンドを送ることを「コマンドを発行する」といいます。「コマンド」は命令の意味です。

　SDカードへ発行するコマンドには下記の５つの代表的なコマンドがあります。この５つでSDカードへのデータの読み書きができます。その他の命令もあり、もっと細かい操作もできますがここでは扱いません。興味のある方はインターネットなどで調べてください。（但し、深く勉強しないと動かせないので、とりあえず動かしたい場合は深入りしない方がよいかも）

　CMD0は、電源投入後にSDカードに対して必ず発行しなければなりません。CMD1はカードのモード設定などの初期化プロセスを起動させるコマンドです。CMD1のレスポンスにより初期化プロセスが終了したかわかりますので何回も発行してレスポンスを見ます。詳しくは後ほど説明しますが、CMD0発行後にCS端子をLOWの状態でCMD1を発行するとSPIモードへ移行します。先に説明したSDHCタイプのカードや、MMCモードの場合はこの初期化手順が大きく異なります。


＜コマンドのレスポンス＞

　全ての操作はマスタであるdsPIC側からのコマンド発行により始められます。上のコマンド（詳しい発行の仕方は後ほど）を発行すると、SDカード側はコマンドが受け入れられたかどうかをとりあえず返します。これをコマンドのレスポンスと言います。
　レスポンスにもフォーマットがあり、R1、R2、R3という種類のフォーマットタイプがあります。今回使うコマンドは全てR1タイプのレスポンスになります。ビット７はつねに０です。それ以外は下の通りとなります。

　　　


＜ＳＰＩモードの場合の電源投入〜初期化プロセスの流れ＞

　ＳＤカードは電源投入後に毎回必ず「初期化プロセス」を実行しなければなりません。このプロセスはカードの種類やモードによってことなります。ここではＳＰＩモードの場合を説明します。手順は次の流れになります。


１）電源投入。電源投入時はMMCモードになっている。CSはHIGHにしておく。初期化プロセスは通信速度が４００Kbps以下の必要がある（SDカードの仕様）ので、dsPICの通信速度を400Kbps以下に設定する必要があります。

２）マスタからSDカードへ８０クロックのダミークロックを送る。（適当な値１０バイトを送る。）これでモード設定待ち状態になる。

３）CSをLOWにして、CMD0（CRC付き）を発行する。CS=LOWの時にCMD0を送るとSPIモードが選択され、SDカードはSPIモードに移行するプロセスを実行します。CMD0のCRCは引数を全て０にすると 0x95 になります。これを１バイトづつ表すと
[0x40] [0x00] [0x00] [0x00] [0x00] [0x95]　になります。

４）レスポンスを読み込んで、SPIモードへの移行準備ができたかどうか判定する。すぐにはレスポンスはきませんので、３）の後に、１バイトづつ受信を行ってみます。SDカードがBUSY（作業が終わってない）の時は、データラインがHIGHのままなので、１バイト受信をすると 0xFF が返ってきます。そのうち 0xFF 以外の値が来ます。これがレスポンス（R1タイプ）です。移行準備ができたらレスポンスの値は 0x01 つまり「カードは初期化中。その他はエラーなし。」（上の図参照）になります。

５）CMD1を発行して、初期化プロセスを起動させる。このコマンドに対するレスポンスが 0x00 になると初期化プロセスが終了したことになります。CMD1を発行した後にまだ 0x01 がくる場合はまだ終わっていませんので、レスポンスが0x00になるまでCMD1を発行しつづけます。
CMD1を送る段階ではすでにSPIモードに移行しはじまっていますのでCRCはなんでも良いです。一応ですが、CMD1で引数を全て０にした場合のCRCは 0xF9 になります。これを１バイトづつ表すと
[0x41] [0x00] [0x00] [0x00] [0x00] [0xF9]　になります。

６）レスポンスで0x00が来たらSPIモードへの初期化プロセスが終了したことになります。必要であれば、SPIの通信速度を再設定します（出来るだけ速い方がよいが、あまり速すぎても動かない。）。


　　　


　上の流れではCMD0とCMD1の２つのコマンドを発行するあいだはCSはずっとLOWのままのように書いてありますし、SDカードの仕様が書いたドキュメント類を読むとそのようになっているようですが、実際に実験してみた結果、CMD1後にCSをHIGHにして１バイトダミーバイトを送信しないと同期が狂うことがわかりました。よって実際のプログラムではCMD1を何回も発行する前にCS＝HIGHにして１バイト送信し、CS=LOWにしてからCMD1を発行しています。（この部分でかなりの時間を消費してしまった。SDカードのドキュメントわかりづらいです。）
詳しい流れは後で説明するプログラムの解説のところを参照願います。


＜ブロック長の設定＞

　　　

　DinはSDカードに入ってくるデータ、DoutはSDカードから出力されるデータです。

　ブロック長の設定はCMD16で行います。引数は上位バイトを先に送ります（ビックエンディアン方式）。SDカードでは出荷時のブロック長設定が５１２バイトのものが多く、容量が大きなものは１０２４バイトのものなどがあります。ここでは統一した処理ができるように、起動後には必ず５１２バイトに設定することとします。５１２を１６進数で表すと 0x200 となります。この段階ではすでにSPIモードに入っているので、CRCには何を入れてもよいです。ということで送信するデータは次のようになります。

[0x50] [0x00] [0x00] [0x02] [0x00] [CRC(なんでも良い)]

このデータを送った後、１バイトづつ受信してみてレスポンスを確認します。上の図ではCMD16を送ったあと少ししてから１バイト受信しているように見えますが、CMD16を送信した直後から１バイト受信してもOKです。CMD16を送った直後はBUSY状態（まだ設定中）なので0xFFが返るはずです。なんども受信してみて0xFF以外が来たら、それがレスポンスです。0x00のレスポンスで正常終了となります。

　波形の注意点ですが、CLKはデータのやり取りをしていない時はHIGHにしておく必要があります。上の図ではDinもデータのやりとり以外ではHIGHになっていますが、ココはデータやりとり以外の時はHIGHでもLOWでもかまいません。ＤｏｕｔはＳＤカードの方からコントロールされるものですが、レスポンス以外（及び書き込みのＢＵＳＹ時以外）はＨＩＧＨになっています。以下、ブロック読み出し、ブロック書き込みの場合も同様です。


＜１つのブロックの読み出し＞

　　　

　CMD17ではCMD16で設定したブロック単位でデータを読み出します。SDカードは単なるメモリだけではなく、コンピュータも入っており、コマンドによって読み書きを制御していますので、基本的には販売している状態で設定されているブロック長が一番効率が良い、つまり一番速くアクセスできる設定になっている場合が多いです。よって、CMD16でブロック長を初期設定と違う値にするとアクセスが遅くなる場合があります。極端な例だと１／１０ぐらいの速度になってしまう場合があるようです。これを避けるには、あらかじめコマンドで出荷時のブロック長を読み込んで、そのブロック長単位で読み出し（書き込み）するのが良いのですが、ここでは難しくなるので割愛しました。ここでは標準的なSDカードで一番多い設定の５１２バイト単位にします（前のCMD16で設定済みとする）。

　CMD17もCMD16と同じようにコマンドを発行したら、レスポンスが来るまで１バイトづつチェックします。レスポンスが0x00ならば正常に読み出しモードになったことを表します。SPIモードなのでコマンドのCRCには適当な値を入れます。たとえば、今、アドレス５１２（バイト目）からデータを読み出したいとしますと、引数は0x200になりますので、CMD17の実際の送信値は次のようになります。

[0x51] [0x00] [0x00] [0x02] [0x00] [CRC(適当)]

　ブロック長を５１２にした場合は、アドレス指定を５１２の倍数で指定しないとエラーになります。

　レスポンスの後（直後でもよい）、また１バイトづつ読み込み、SDカードからデータが送信されてくるのを待ちます。データが送信されるまではSDカードの出力はHIGHのまま保持されるので、１バイトづつ読み込んでも0xFFが返ります。
　SDカードからデータが送信されるときは、先頭にスタートバイトとして0xFEが送られるので、それを待ちます。0xFEが送られたら、CMD16で設定した回数分だけデータを受信します。データの最後にはCRCが２バイト送信されますのでこれも読み込みます。CRCは特に使わなくてもかまいませんので、このCRCの値は保持しなくても良いでしょう。

　受信終了後、ダミークロックを１バイト分送ると、SDカードはCMD17を終了し、次のコマンドが受け付けられる状態になります。（これはSDカードの仕様のようです。） ダミークロック１バイトを生成するにはdsPICの場合は単純に１バイトの意味の無いデータを送信すればOKです。

　スタートバイトですが、もし、レスポンスが0x00で正常だったにもかかわらずに何らかのエラーが出た場合は、スタートバイトとしての0xFEではなく「エラーレスポンス」というものが返ります。エラーレスポンスのフォーマットは下のようになっています。

　　　


＜１つのブロックへの書き込み＞

　　　

　おなじように、CMD24ではデータを１ブロック書き込みます。コマンドの引数は書き込みの先頭アドレスになります。たとえば、アドレス512（バイト目）からデータを書き込みたい場合のコマンドの値は次のようになります。

[0x58] [0x00] [0x00] [0x02] [0x00] [CRC(適当)]

　ブロック長を５１２にした場合は、アドレス指定を５１２の倍数で指定しないとエラーになります。

　レスポンスを待ち、0x00が返ってきたら書き込み準備が整ったということになります。この後、データの送信を開始するのですが、先頭に、開始の合図であるスタートバイト 0xFE をまず送ってからデータを送ります。SPIモードではCRCは無視されるのですが、フォーマットではデータ後に２バイトのCRCを送る必要があるので、適当な値を２バイト送信します。

　その次に、1バイトの「データレスポンス」がSDカードより送信されるのでこれを読み取ります。データレスポンスは、送信したデータが上手くメモリに書き込まれたかどうかを返信するもので、下のようなフォーマットになっています。ステータスはビット３〜１となり、ビット０はかならず１になります。正常に書き込まれた場合はステータスが０１０となるので、データレスポンスの下位４ビットは　０１０１　つまり値　５　になるはずです。ということで、データレスポンスの下位４ビットの値が５かどうかで正常書き込みだったかを判定できます。正常書き込み以外の場合はデータは拒否され、メモリには書き込まれません。

　　　

　データレスポンスの後はSDカードはBUSY状態となり、DoutがLOWになります。この時１バイト受信すると0x00を受信することになります。よって、1バイト受信をつづけて0x00以外になったらBUSYが終了したというのがわかります。

　その後、CMD１７と同様にダミークロックを１バイト分送ってから終了します。

　いままではSDカードのSPIモードでの挙動を説明しましたが、ここではdsPIC33F側のSPIの使い方について説明します。
　まずは、データシートより関係する部分を抜き出してみます。

　SPIでのデータの受け渡しは、前に説明したとおり、「SPI1BUF」を通して行われます。下の図ではSPI1RXB、SPI1TXB、SPI1SRなども書いてありますがこれらは直接操作することはできません。送信の場合はバッファ（SPI1BUF)に書き込むだけで自動的に送信され、読み込むときはバッファに適当な値を書き込んでから受信が終了するのを待ちます（RXBがフルになったというのがわかるようになっている）。その後、SPI1BUFを読み出すと、それが受信データ１バイトとなります。

　その他には状態を表す特殊レジスタの「SPI1STAT」 と設定などを行う「SPI1CON1」があります。「SPI1CON2」という特殊レジスタもありますが、これはフレーム同期方式というもので使い、今回は使用しません。フレーム同期の場合はSS端子も使用します。
　














＜SPI1の設定＞

　設定はSPI1CON1で行います。主に、

・マスターになるか、スレーブになるかの設定。デフォルトでマスタの設定なので変えなくて良い。
・16ビット幅にするか、８ビット幅にするか（16ビットマイコンなので16ビット幅の設定もできるが、通常は８ビット幅でSDカードとも８ビット（１バイト）単位で通信します。デフォルト設定も８ビットです。
・クロックの速度設定

　などを設定します。

　 SDカードの場合、見落としやすい仕様に、「クロックの待機時はHIGHにする必要がある」というものがあります。これはSPI1CON1のCKPの設定で変えられますが、デフォルト時にはLOWになっているのでここは設定する必要があります。

　クロックの速度はCPUの内部クロックより分周したのもを使用できます。他の事例のページと同様、今回もクロックは内部クロックを使い、最高速の３６．８５MHｚのFcyで行います。
（Fcyとは実質のクロック速度。dsPICは特殊なクロック構成になっているのでクロック＝動作速度ではない。Fcyが実質の動作速度のようなものに近い）

　SPIのクロックは上の式１７−１のように、FcyをSPREとPPREで分周した値となります。

　SDカードの場合は、CMD0で始まる一連の起動プロセスのときは４００KHｚ以下のクロックを使用する必要があります。（ココでかなりハマった。SDカードの仕様をすみずみまで調べないとわからない。）SPIの基準クロックが３６．８５MHｚなので、４００ｋHz以下にするにはSPREで1/2、PPREで1/64にしすると

　36.85MHz/2/64 = 287.9KHz

と、ちょうどよい具合になります。

次は、基本の１バイト送信と１バイト受信の説明をします。

＜１バイト送信＞

　１バイト送信する場合には前にも書いたとおり、SPI1BUFにデータを書き込めばあとは自動的に送信してくれます。送信中に次の操作をしないように、BUFにデータをセットしたら送信が終了するまで待ちます。これはSPITBFフラグを見ることでわかります。送信中は１になり、送信終了すると０になります。ということで書いたプログラムが次の通りです。これはマイクロチップのSPIのサンプルプログラムそのままです（よって１６ビットかどうかの判定もしていますが、今回は８ビットできまっていますので判定は不要です。）。
　これは簡易的なものなので、行５５は本当はタイマなどを使ってタイムアウトを設けないと、なにかの拍子にSPITBFが変わらなくなるとフリーズする可能性があります。（ほとんどそうゆうことはありませんが）。




＜１バイト受信＞

　受信の場合は前になんらかの通信があってオーバーフローしていると受信できないので、まずオーバーフローフラグをリセットします。その後、バッファに適当な値を書き込むとクロックが生成されて送信＝受信が開始されます。
　受信が終了したかはSPIRBFフラグを見て判定します。１なら受信中、０なら受信終了です。
　これは簡易的なものなので、行６７は本当はタイマなどを使ってタイムアウトを設けないと、なにかの拍子にSPIRBFが変わらなくなるとフリーズする可能性があります。（ほとんどそうゆうことはありませんが）。




　この２つの操作を組み合わせてSDカードと通信することができます。

実際のプログラムと解説



　SDカードを起動し、１ブロックの読み書きを行うプログラムを作ってみました。こちらです。長いので２ファイルに分割してます。ソースファイルだけなので、MPLABに移す場合はまずプロジェクトを作ってから内容をコピペしてください。

A33F.c

A33F_sub.c

　A33Fの方はdsPICのハードウェア設定とメインルーチンが入っています。メインでは１バイト読み込んで、そのデータを少し変えて同じアドレスに書き込んでみました。さらにもう一度読み込んで、正しく書き込まれたか確認しています。確認するにはMPLABのWatchを使いますので、デバックモードでコンパイル＆プログラム転送してください。


＜SDカードの初期化＞

　実際のSPI初期化とSDカードの起動ルーチンの部分です。注意点は今までにも書きましたが、

１）SDカード起動時には４００KHｚ以下のクロックで通信する。
２）レスポンスが返ってくるまで、１バイトづつ受信して待つ。

というところでしょうか。

　通信速度ですが、手持ちのSDカード（INX製とマクセル製）で試しましたが、ｓｄPICで生成できるクロックの中では9.2125MHzより上げると通信がコケました。バイト/秒に直すと1.15MB/ｓです。マクセルは7MB/s、INXは12MB/sという仕様でしたが、どうやらSPIモードの表記ではないようです。ということで、購入したSDカードの仕様の限界速度で動かせるわけではないということに注意してください。ということで、初期化後はSPIのクロックを9.2125MHzに設定し直しています。




＜ブロック長の設定、１ブロック読み込みと１ブロック書き込み＞

　これらはA33F_sub.cの方に入っています。長いのでソースファイルの中を見てください。今までで説明したことをプログラムにしているだけです。



＜１ブロックの読み書き実験＞

　では実際に動かして、SDカードの読み書きができるか実験してみましょう。まず、View->WatchでWatchウィンドウを開き、Add_Symbolボタンで　SPI1BUF/SDreadBuffer/SDwriteBuffer の３つぐらいを監視できるようにします。SDreadBufferはSDカードから読み込んだデータを格納するための５１２個のバイト長データ配列です。SDwriteBufferは同じように書き込むデータをあらかじめ入れておく配列です。MPLABもVer7.5を超えたら配列の中身まで見れるようになって便利になりました（以前は配列はデバックできなかった（泣））。





　実験の部分は次のようになっています。ちなみに、この前の部分でSDカードは初期化を終えています。





　まず、上のように９４行目にブレークポイントを設定して、コンパイル−＞RUN　します。９０〜９２行でSDreadBufferの全配列の中身を０にしているので、行９３でCMD17を実行した結果、この中身が０以外になっていれば読み込みが成功したことになります。販売されている状態ではFATシステムが書き込まれているハズなので何らかの数値が読めるはずです。実際にやってみると、アドレス０番地から５１２バイト読み取ると、ほとんどが０ですが何バイトか数値が返ってきます。何度も読み取っても同じ値になる（カードが違うと違う値になる）ので読み取れていると判断します。

　次に行９４で止まったのをもう一度RUNして最後まで（行１０４で無限ループで停止）実行すると途中で先頭５バイトを変更したものが読み取れるはずです。ということで実際にやってみた結果が上のWatchの画面のように先頭５バイトが変更されていました。先頭５バイトが行９７〜１０１で変えた値と同じなのがわかります。