SPI(Serial Peripheral Iterface) 모드에서 ATmega328P를 사용하여 SDCard를 초기화하는 방법을 소개합니다. SPI에 익숙하지 않은 경우에는 이 글을 읽어보시기 바랍니다.

이 글에서 제공하는 정보의 대부분은 SDCard Physical Specification를 참고하였습니다.

회로 연결

아래와 같이 회로를 구성합니다. Arduino를 연결한 이유는 avrdude를 사용하여 ATmega328P의 Flash에 프로그래밍(Flash Write)하기 위해 연결했습니다.

SPI 초기화

SPI를 설정하려면 클럭의 극성, 위상 및 속도와 같은 몇 가지 설정이 필요합니다. 아쉽게도 버스 타이밍 다이어그램은 SDCard Physical Specification에는 없습니다. 그러나 다행이게도 SanDisk SDCard 제품 설명서에는 아래 타이밍 다이어그램이 제공됩니다.

위의 그림과 같이 클럭은 LOW로 IDLE 상태를 유지하고 출력(OUTPUT)은 CPOL = 0 및 CPHA = 0에 해당하는 Leading Edge에서 샘플링됩니다. 이 작동 방식은 다른 SDCard에서도 동일하게 작동한다고 가정할 수 있습니다.

CPOL과 CPHA는 SPI 제어 레지스터인 SPCR에서 기본적으로 00으로 설정되어 있으므로 SPI 초기화 과정에서 이것에 대해서는 아무것도 할 필요가 없습니다. 최신 SDCard는 매우 빠른 속도로 작동할 수 있지만, 일단은 디버깅을 위해 SCK를 가장 낮은 값으로 설정하고 나중에 코드가 작동하면 다시 높일 계획입니다.

코드에 사용되는 핀을 추상화하려면 기능적 이름을 지정하는게 좋습니다. 또한 SDCard에 대한 모든 SPI 명령은 마이크로컨트롤러가 먼저 CS(Chip Select)라인을 Assert(Inactive에서 Active 상태로 전환) 해야 합니다. 이것이 완료되면 CS를 HIGH 상태로 되돌려야 합니다. 이러한 간단한 명령을 간단하게 전처리기 매크로를 사용하여 구현합니다.

아래는 SPI 초기화 및 송신/수신 기능과 핀 정의 및 유용한 매크로가 있는 코드입니다:

#define DDR_SPI         DDRB
#define PORT_SPI        PORTB
#define CS              PINB2
#define MOSI            PINB3
#define MISO            PINB4
#define SCK             PINB5

#define CS_ENABLE()     PORT_SPI &= ~(1 << CS)
#define CS_DISABLE()    PORT_SPI |= (1 << CS)

void spiInit()
{
    // CS와 MOSI, SCK를 출력으로 설정합니다
    DDR_SPI |= (1 << CS) | (1 << MOSI) | (1 << SCK);

    // MISO를 Pull-up 레지스터로 활성화 합니다
    DDR_SPI |= (1 << MISO);

    // SPI를 활성화하고 Master로 Clock은 fOSC/128로 설정합니다.
    SPCR = (1 << SPE) | (1 << MSTR) | (1 << SPR1) | (1 << SPR0);
}

uint8_t spiTransfer(uint8_t data)
{
    // SPI로 전송할 데이터를 SPDR(SPI Data Register)에 저장
    SPDR = data;

    /*
      SPIF(SPI Interrupt Flag)가 Set될 때까지 기다립니다
      SPIF가 Set이 되었다면 SPI로 데이터가 전송이 완료된것입니다
    */
    while(!(SPSR & (1 << SPIF)));

    // SPDR을 반환합니다
    return SPDR;
}

Power Up Sequence

SDCard Physical Specification에서 Power Up Sequence는 아래와 같습니다.

SDCard에 명령을 보내기 전에는 최소 1msec의 Delay와 74개의 클럭 사이클을 보내야 합니다. 각 바이트에 대해 8개의 클럭 사이클이 있으므로 총 80개의 클럭 사이클에 대해 10바이트를 보낼 수 있습니다. 또한 이 작업을 할 동안에는 CS를 HIGH로 유지해야 합니다.

/* CPU의 Frequency를 16MHz로 설정합니다 */
#define F_CPU 16000000UL
#include<util/delay.h>

void sdPowerUpSeq()
{
    // SDCard CS Assert
    CS_ENABLE();

    // SDCard에 전원이 공급되는데 최소로 필요한 1msec의 Dealy 실행
    _delay_ms(1);

    /*
      동기화하기 위해 80개의 클럭사이클을 보냅니다
      SPI는 직렬 통신이기 때문에 각 클럭 사이클당 1비트의 데이터가 전송됩니다
      0xFF(11111111b)는 8비트이기 때문에 10번을 보내면
      80개의 클럭 사이클을 보내는 것과 같습니다
    */
    for(uint8_t i = 0; i < 10; i++)
        spiTransfer(0xFF);

    // SDCard CS Deassert
    CS_DISABLE();
    spiTransfer(0xFF);
}

SDCard Command 전송

아래는 SDCard Command의 포맷입니다. 모든 Command의 길이는 6바이트이며 Command Index, Arguments와 CRC가 포함되어 있습니다. Command Index는 SDCard에 어떤 명령을 보내고 있는지 알려주는데 사용됩니다. 예를 들어 CMD0을 전송하는 경우에는 Command Index의 6비트를 000000b로 설정합니다. Arguments 필드는 일부 명령에서 사용되며 다른 명령에서는 SDCard에서 무시됩니다. Arguments가 필요하지 않을 때마다 이 필드를 모두 0으로 채웁니다. 마지막으로 CRC(Cyclic Redundancy Check)를 사용하여 명령 내용이 SDCard에서 올바르게 수신되었는지 확인합니다. 참고로 SPI 모드에서는 몇 가지 명령만 올바른 CRC를 필요로 합니다. 필요하지 않은 경우에는 모두 0으로 설정합니다.

아래는 SDCard에 Command를 전송하는 함수입니다. 8비트의 Command Index, 32비트의 Arguments와 8비트의 CRC를 전달합니다.

void sdCommand(uint8_t cmd, uint32_t arg, uint8_t crc)
{
    // SDCard에 Command를 전송합니다
    spiTransfer(cmd | 0x40);

    // Argument를 전송합니다
    spiTransfer((uint8_t)(arg >> 24));
    spiTransfer((uint8_t)(arg >> 16));
    spiTransfer((uint8_t)(arg >> 8));
    spiTransfer((uint8_t)(arg));

    // CRC를 전송합니다
    spiTransfer(crc | 0x01);
}

Command Index를 전송하는 것으로 시작합니다. 그러나 Command Format을 보면 Command Index의 길이는 6비트입니다. 명령의 최상위 2비트는 항상 01b로 설정됩니다. 우리가 항상 128보다 작은 Command Index를 전달하려면 cmd 인수의 48번째 Bit는 항상 0이 됩니다. 그러나 47번째 Bit를 1로 설정하려면 cmd를 0x40과 OR 연산을 해야 합니다.

    // SDCard에 Command를 전송합니다
    spiTransfer(cmd | 0x40);

다음으로 4바이트 Argument를 8비트씩 아래로 이동하면서, 한 번에 한 바이트씩 전송합니다.

    // Argument를 전송합니다
    spiTransfer((uint8_t)(arg >> 24));
    spiTransfer((uint8_t)(arg >> 16));
    spiTransfer((uint8_t)(arg >> 8));
    spiTransfer((uint8_t)(arg));

마지막으로 CRC를 전송합니다. CRC의 길이는 7비트에 불과하고 모든 명령의 마지막 비트는 항상 1로 설정됩니다. 더 쉽게 구현하기 위해 crc 인수를 0x01과 OR 연산하여 최종 비트가 항상 1이 되도록 합니다.

    // CRC를 전송합니다
    spiTransfer(crc | 0x01);

SDCard 초기화 과정

SD 카드의 SPI 모드 초기화 과정은 아래 다이어그램과 같습니다:

이 과정의 첫 번째 단계는 CMD0을 보내는 것입니다. 아래는 SDCard Physical Specification의 CMD0에 대한 설명입니다.

CMD0은 SDCard에 대해 Software Reset을 합니다. Argument는 'Stuff Bits'이며, 이는 SDCard에서 무시되고 응답은 R1으로 받습니다.

SPI 모드는 SDCard를 위한 보조 통신 모드입니다. 'SD Bus Protocol Mode'에서 전원이 켜지며, CS(Chip Select)가 LOW로 구동되고 CMD0가 전송될 때만 SDCard가 SPI로 전환됩니다. SPI 모드에서 CRC는 기본적으로 무시되지만 시작되는 SD Bus Mode에서는 CRC가 필요합니다. 따라서 첫 번째 명령의 경우 올바른 체크섬이 있어야 합니다.

Command에서 Command Index를 0으로 설정하여 CMD0을 간단하게 지정하고, Argument는 Stuff Bits이므로 0x00000000으로 설정합니다. 이제 이 비트에 해당하는 CRC가 필요한데, 다행이게도 SDCard Physical Specification 43페이지를 보면 10010100b라는 7비트의 값을 제공합니다.

#define CMD0        0
#define CMD0_ARG    0x00000000
#define CMD0_CRC    0x94

// CMD0 전송
sdCommand(CMD0, CMD0_ARG, CMD0_CRC);

위에서 설명했듯이 CMD0은 R1 응답을 반환합니다. R1의 형태는 아래와 같습니다:

R1은 7번째 Bit가 항상 0이고 다른 모든 비트는 오류 조건을 나타내는 단일 바이트입니다.

이것을 알면 CMD0을 보낸 후 단일 바이트 응답을 찾는 함수를 작성할 수 있습니다.

uint8_t sdReadRes1()
{
    uint8_t index = 0, res1;

    // 실제 데이터가 수신될 떄까지 폴링을 유지합니다.
    while((res1 = spiTransfer(0xFF)) == 0xFF)
    {
        index++;
        // 8바이트 동안 수신된 데이터가 없으면 멈춥니다
        if(index > 8) break;
    }

    return res1;
}

MISO는 기본값이 HIGH이기 때문에, SDCard가 응답하지 않으면 단순히 0xFF를 읽습니다. SDCard는 명령이 전송된 후 처리하는데 시간이 걸릴 수 있으므로 데이터를 수신할 때까지 폴링을 계속합니다. 그러나 카드는 8 Cycle 이내에 응답해야 합니다. 그때까지 응답하지 않으면 응답을 중단하고 반환합니다. (이런 경우에는 0xFF를 반환하게 됩니다)

이 모든 것을 종합하면 CMD0(GO_IDLE_STATE)를 보내는 전체 시퀀스를 아래와 같이 작성할 수 있습니다:

uint8_t sdGoIdleState()
{
    // SDCard CS Assert
    spiTransfer(0xFF);
    CS_ENABLE();
    spiTransfer(0xFF);

    // CMD0를 전송합니다
    sdCommand(CMD0, CMD0_ARG, CMD0_CRC);

    // Response를 읽습니다
    uint8_t res1 = sdReadRes1();

    // SDCard CS Deassert
    spiTransfer(0xFF);
    CS_DISABLE();
    spiTransfer(0xFF);

    return res1;
}

여기에서 CS를 LOW로 하기 전과 후에 8개의 클럭을 보내고, 명령을 보내기 전에 또 다른 8개의 클럭을 보냅니다. 이는 SDCard가 CS의 변경 사항을 인식하도록 하는 것입니다. 또한 CS를 HIGH로 전환하기 전후에 추가 바이트를 전송합니다. 이러한 추가적인 바이트 전송이 항상 필요한 것은 아니지만 여러 SDCard가 버스에 있다면 이러한 방법으로 문제를 피할 수 있습니다.

ATmega328P에서 실행하기

위에서 작성한 모든 코드를 합쳐서 ATmega328P에서 실행해 봅시다. 아래는 이 글에서 정의한 함수를 사용하는 main() 함수입니다. 여기에서는 단순히 Power Up Sequence를 살펴보고 SDCard를 IDLE 상태로 만듭니다.

int main(void)
{
    // SPI 초기화
    spiInit();

    // Power Up Sequence 시작
    sdPowerUpSeq();

    // command card to idle
    sdGoIdleState();

    while(1);
}

Logic Analyzer를 사용하여 의도한 대로 작동하는지 봐봅시다.
아래와 같이 Logic Analyzer를 설정했습니다.

Logic Analyzer를 사용하면 아래와 같은 화면이 출력됩니다.

전송된 첫 번째 바이트는 0x40(CMD0 | 0x40)이고 Argument는 모두 0이며 마지막 바이트는 0x95 입니다. 응답하기 위해 명령을 보낸 후 SDCard에 8 Clock Cycle이 전송됩니다. 일단 실행되면 0x01을 보내며, R1에 대한 정의를 다시 확인하면 SDCard가 IDLE 상태(오류가 없는)인 것을 확인할 수 있으며 정상적으로 Command 전달이 작동한 것을 알 수 있습니다.