PIC16F88 でＳＤカードにＦＡＴ１２で書き込み

０、はじめに

当初はＵＳＢメモリにＰＩＣから記録をしたかったのだが適当な資料が無かった。
探すとＳＤカードについての資料はいくつかあったのでＳＤカードでやってみる。
ＳＤカードはＳＰＩ通信に対応しておりＰＩＣから操作しやすい。
ただし、時とともにＳＤカードは性能が良くなっているので、
どの世代のＳＤカードなのかを最初に識別する必要がある。

目標はとりあえずＳＤカードで読み書きをすることである。
最新のＳＤカードを使うとすると識別に手間がかかるだろう。
よって、もっとも単純な操作で使える古いＳＤカードを今回は使用する。
メーカーは「HAGIWARA SYS-COM」と書いてある５１２ＭＢのものを使用する。
例えば、ＳＤカードバージョン２や大容量ＳＤカードの場合は、
ＣＭＤ１を使わずＣＭＤ８を使うとかあるがそのあたりには対応しない。

以下の記述はあの手この手でＳＤカードへの書き込みを試み、
ＦＡＴ１２のフォーマットでデータをＳＤカードに書き込み、
ＰＣでそのデータを読み込むところまで成功させた記録である。
きちんとやればこんな稚拙なコードにはならないだろうが、
趣味の範囲であるし単調なので逆にわかりやすいかもしれない。
きちんとやりたい人はＳＤカードの仕様をきっちり確認して欲しい。

また「フラッシュ・メモリ・カードの徹底研究」という書籍を参考にした。
情報が低レベル（「簡単」という意味では無い）なので便利です。

１、ＳＤカードについて

ＳＤカードを裏返して金属部分を向こうにして置く。
すると、いちばん左の金属部分が一段下がっているいる。
その一段下がったピンが９番である。
そこから右方向に１番、２番・・・８番ピンまである。
いちばん右のピンは真ん中に線が入っていると思うがそれで７番、８番である。
ＳＰＩ通信で使用するのは１番から７番まである。
８番と９番ピンは使用しない。
１番から７番ピンはでの用途については以下のようになる。

１番：チップセレクト
２番：入力
３番：ＧＮＤ
４番：＋３．３Ｖ
５番：クロック
６番：ＧＮＤ
７番：出力

ＳＤカードを使う場合には電源、信号ともに＋３．３Ｖである必要がある。
また、ＳＤカードを扱う場合は専用のソケットが売っているので利用したほうが良い。
専用のソケットを使えばまず接触不良などのトラブルは起こらないだろう。

２、ＰＩＣの選択

ＳＰＩ通信が行えるものが必要なので今回は PIC16F88 を使用する。
PIC16F88 は３．３Ｖでも動作する。
よって、ＰＩＣとＳＤカードの電源を１つの３．３Ｖ三端子レギュレーターで確保することにする。
振動子についてはあまり早い振動子だと通信に失敗するらしい。
今回は１０ＭＨｚのセラミック振動子を使用した。
ＳＰＩ通信のクロックについては１０ＭＨｚ／６４で使用することにする。
１００ｋＨｚから４００ｋＨｚが適当らしいが詳細は不明。

３、回路設計

PIC16F88 とＳＤカードを繋ぐ場合。
送信ピン(PIC:RB2)から受信ピン(ＳＤカード：２番)に繋ぐ。
受信ピン(PIC:RB1)から送信ピン(ＳＤカード：７番)に繋ぐ。
クロック(PIC:RB4)はクロック(ＳＤカード：５番)に繋ぐ。
PIC:RB5 からチップセレクト(ＳＤカード：１番)に繋ぐ。

ＰＩＣの振動子は１０ＭＨｚのセラミック振動子とする。
電源はＰＩＣとＳＤカードとともに３．３Ｖの三端子レギュレーターで供給する。

４、ＦＡＴ１２について

最初はＳＤカードに書いたデータをＰＣからダンプしようとしました。
しかし、ダンプする上手な方法が見つかりませんでした。
せっかくＳＤカードに書き込めてもＰＣで読めないとおもしろくありません。
よって、今回はファイルシステムＦＡＴ１２を利用することにします。

 Ａ：ヘッダの説明（リトルエンディアンです）

000 EB 3C 90 4D 53 44 4F 53 35 2E 30 00 02 02 08 00
010 02 00 02 40 1F F8 0C 00 01 00 01 00 00 00 00 00
020 00 00 00 00 00 00 29 3E 00 9E 40 4E 4F 20 4E 41
030 4D 45 20 20 20 20 46 41 54 31 32 20 20 20

 最初の３バイト（EB 3C 90）

ジャンプ命令 90 は NOP

 次の８バイト（4D 53 44 4F 53 35 2E 30）

ＯＥＭ Ｎａｍｅで「MSDOS5.0」 と書いてある。

 次の２バイト（00 02）

１セクタのバイト数（0x0200 なので５１２バイト）

 次の１バイト（02）

１クラスタのセクタ数（１クラスタは２セクタ すなわち１クラスタは１０２４バイト）

 次の２バイト（08 00）

ＦＡＴテーブルの位置（先頭から +8 セクタめ）

 次の１バイト(02)

ＦＡＴテーブルの個数（通常は２）

 次の２バイト（00 02）

ルートディレクトリに記載できる最大数（５１２個）

 次の２バイト（40 1F）

セクタの総数（0x1F40 セクタ＝８０００セクタ）

 次の１バイト（F8）

メディアのタイプ（F8 は固定ディスクであるらしい）

 次の２バイト（0C 00）

ＦＡＴテーブルのセクタ数（0x000C ＝１２セクタ）

 次の２バイト（01 00）

１トラックのセクタ数

 次の４バイト（00 00 00 00）

パーティション関係（メディアでは０のはず）

 次の４バイト（00 00 00 00）

セクタの総数（ＦＡＴ１２では 0xFFFF より大きくはならないので必ず０）

 次の１バイト（00）

ドライブ番号(0x80 だとブート用)

 次の１バイト（00）

予約

 次の１バイト（29）

ブート情報

 次の４バイト（3E 00 9E 40）

ボリュームＩＤ

 次の１１バイト（4E 4F 20 4E 41 4D 45 20 20 20 20）

ボリュームラベル（「NO NAME」と書いてある）

 次の８バイト（46 41 54 31 32 20 20 20）

ファイルシステムタイプ（「FAT12」と書いてある）

 Ｂ：ＦＡＴテーブルの説明

ヘッダの情報で次のことがわかります。
ＦＡＴテーブルの位置、サイズ、個数の３つの情報です。
上記例では位置が＋８セクタ、サイズは１２セクタ、個数は２つです。
よって、８セクタめと２０セクタめに１２セクタ分のテーブルが２つあるといえます。
テーブルは２つありますが２０セクタからのは予備のようなものなので今回無視します。

ＦＡＴテーブルは１２バイト単位のリトルエンディアンです。

よって、「12 50 34」と書いた場合にＦＡＴでは 「012 345」と読みます。

0x000:未使用領域
0x002-0xff6:次のクラスタ番号
0xff7:異常領域
0xff8:先頭
0xff8-0xfff:データ領域の終了

 例えばテーブルの情報が、

F8 FF FF 03 40 00 FF FF FF FF 0F 00 

とある場合に、

0x00 0xff8
0x01 0xfff
0x02 0x003
0x03 0x004
0x04 0xfff
0x05 0xfff
0x06 0xfff
0x07 0x000

となります。

先頭 0x00 はかならず 0xff8 です。
0x01 は１クラスタで終了します。
0x02 は 0x03 と 0x04 にまたがる３クラスタぶんの領域です
0x05 と 0x06 はそれぞれ１クラスタぶんの領域です。
0x07 は未使用領域です。

 Ｃ：ルートディレクトリ

ＦＡＴテーブルが８セクタからの１２セクタと２０セクタからの１２セクタを使用するので、
ルートディレクトリ用の領域は３２セクタから使用することになります。
ヘッダの情報よりルートディレクトリに記載できる最大数は５１２個です。
また、１ファイルの定義が３２バイトであることから５１２×３２バイト必要になります。
ルートディレクトリの定義に必要なセクタ数は３２セクタとなります。

46 41 54 31 32 44 41 54 54 58 54 20 00 00 00 00
00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 02 00 12 00 00 00

 最初の８バイト（46 41 54 31 32 44 41 54）

ファイル名（「FAT12DAT」と書いてある）

 次の３バイト（54 58 54）

拡張子（「TXT」と書いてある）

 次の１バイト（20）

ファイルの種類（20 はアーカイブファイル）

0x01 読み込み専用
0x02 隠しファイル
0x04 システムファイル
0x08 ボリュームＩＤ
0x10 ディレクトリ
0x20 アーカイブファイル

 次の１バイト（00）

予約

 次の３バイト（00 00 00）

作成時刻（時、分、秒）

 次の２バイト（00 00）

作成日（年、月、日）

 次の２バイト（00 00）

最終アクセス日（年、月、日）

 次の２バイト（00 00）

クラスタ番号の上位１６ビット（ＦＡＴ１２は関係ありません）

 次の２バイト（00 00）

書き込み時刻（時、分、秒）

 次の２バイト（00 00）

書き込み日（年、月、日）

 次の２バイト（02 00）

クラスタ番号の下位１６ビット（２番目のクラスタにデータ本体がある）

 次の４バイト(12 00 00 00)

ファイルサイズ（0x00000012 なので１８バイトのデータがある）

 Ｄ：ファイル領域

ルートディレクトリの次からがファイル本体部分です。
ファイル領域は６４セクタめからスタートします。
この６４セクタめがファイル領域の２番目のクラスタになるので注意してください。
ファイル領域の０と１のクラスタは存在しません。
１クラスタは２セクタなのでファイル領域の３番目のクラスタは６６セクタからはじまります。

１ファイルが何クラスタ使用するかはＦＡＴテーブルで定義されています。
また、ファイルの名前やサイズはルートディレクトリの領域で定義されています。

この領域には純粋に０バイトめから記録したいデータ本体を書き込みます。

 ５、初期設定

PIC16F88 の初期設定です。

RXDATA EQU 20H  ; 変数 RXDATA を用意
T0 EQU 21H  ; 変数 T0 を用意

 BSF STATUS, RP0
 MOVLW B'00000010'  ; RB1 を入力に設定
 MOVWF TRISB
 MOVLW B'00000000'
 MOVWF SSPSTAT      ; SSPSTAT をクリア
 BCF STATUS, RP0
 MOVLW B'00100010'  ; ＳＰＩモード マスター クロック周波数（／６４）の設定
 MOVWF SSPCON

 ６、ＳＰＩ通信

通常のＳＰＩ通信です。

SPI
 MOVWF SSPBUF
 BSF STATUS,RP0
SPI_LOOP
 BTFSS SSPSTAT,BF
 GOTO SPI_LOOP
 BCF STATUS,RP0
 MOVF SSPBUF,W
 MOVWF RXDATA
 RETURN

 ７、コマンド０

ＳＤカードの準備をするにはまずコマンド０を送る。
その前にまずＳＤカードのチップセレクトをＨｉｇｈにしてクロックを８０以上送る。
実際にはＳＰＩ通信を１０回以上繰り返せばクロックを８０回以上送ったことになる。
このとき送受信するデータには意味は無い。
次にチップセレクトをＬｏｗにする。
以降、チップセレクトはずっとＬｏｗのままで良い。

つぎにコマンド０を送る。

コマンド０は 01 000000 で始まる 01 がコマンドを意味し 000000 が「０」を意味する。
01000000 は１６進数で表記すると 0x40 となる。
次の４バイトは転送するデータ部分だがここはすべて０にする。
最後の１バイトはＣＲＣだがここは必ず 0x95 にすること。

よってコマンド０は５バイトの 「40 00 00 00 00 95」 である。

次にＳＰＩ通信でＳＤカードに 0xFF を転送し続ける。
このとき 0x01 が返ってくればコマンド０は成功。
コマンド０が成功すれば正常にＳＤカードとＳＰＩ通信ができたと判断できる。

SPI_INIT
 BSF PORTB,5  ; ＳＤカードのチップセレクトをＨｉｇｈに
 MOVLW D'15'  ; 15*8=120 クロックを１２０個送る
 MOVWF T0
LOOP_INIT
 MOVLW B'11111111'
 CALL SPI
 DECFSZ T0,F
 GOTO LOOP_INIT
 BCF PORTB,5  ; ＳＤカードのチップセレクトをＬｏｗに

CMD0
 MOVLW 0x40
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x95
 CALL SPI

LOOP_CMD0
 MOVLW B'11111111'
 CALL SPI

 BTFSC RXDATA,7
 GOTO LOOP_CMD0
 BTFSC RXDATA,6
 GOTO LOOP_CMD0
 BTFSC RXDATA,5
 GOTO LOOP_CMD0
 BTFSC RXDATA,4
 GOTO LOOP_CMD0
 BTFSC RXDATA,3
 GOTO LOOP_CMD0
 BTFSC RXDATA,2
 GOTO LOOP_CMD0
 BTFSC RXDATA,1
 GOTO LOOP_CMD0
 BTFSS RXDATA,0
 GOTO LOOP_CMD0
 RETURN

 ８、コマンド１

コマンド１は 01 000001 なので 0x41 で始まる。
４バイトのデータ領域はすべて０とする。
コマンド１からＣＲＣは無効になるので 0x01 を送っておけば良い。

よってコマンド１は５バイトの 「41 00 00 00 00 01」 である。

コマンド１を送ったあとは 0xFF を送り続ける。
このとき 0x00 が返ってくれば正常である。
コマンド０は 0x01 だがコマンド１は 0x00 なので間違えないように。

CMD1
 MOVLW 0xFF  ; ダミー
 CALL SPI
 MOVLW 0x41
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x01
 CALL SPI

LOOP_CMD1
 MOVLW B'11111111'
 CALL SPI

 BTFSC RXDATA,7
 GOTO LOOP_CMD1
 BTFSC RXDATA,6
 GOTO LOOP_CMD1
 BTFSC RXDATA,5
 GOTO LOOP_CMD1
 BTFSC RXDATA,4
 GOTO LOOP_CMD1
 BTFSC RXDATA,3
 GOTO LOOP_CMD1
 BTFSC RXDATA,2
 GOTO LOOP_CMD1
 BTFSC RXDATA,1
 GOTO LOOP_CMD1
 BTFSC RXDATA,0
 GOTO CMD1
 RETURN

 ９、コマンド９

コマンド９は必須コマンドではない。
ただし読み込みのテストをする場合に便利なのでコマンド９を使ってみる。

コマンド９は５バイトの 「49 00 00 00 00 01」 になる。

0xFF を送り続けて 0x00 が返ってくれば成功。

続けて 0xFF を送り続けるとこんどは 0xFE が返ってくる。
以降、１６バイトを受信する。
そして最後に２バイトのＣＲＣを送ってくる。

受信した１６バイトのデータはＣＳＤと言ってＳＤカードのサイズなどの領域情報が得られる。
またコマンド１０ではＣＩＤといってＳＤカードのベンダー情報などが得られる。

以下のサンプルは読み取り部分を省略し最後は無限ループするので注意。

CMD9
 MOVLW 0xFF  ; ダミー
 CALL SPI
 MOVLW 0x49
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x01
 CALL SPI

LOOP_CMD9
 MOVLW B'11111111'
 CALL SPI

 BTFSC RXDATA,7
 GOTO LOOP_CMD9
 BTFSC RXDATA,6
 GOTO CMD9
 BTFSC RXDATA,5
 GOTO CMD9
 BTFSC RXDATA,4
 GOTO CMD9
 BTFSC RXDATA,3
 GOTO CMD9
 BTFSC RXDATA,2
 GOTO CMD9
 BTFSC RXDATA,1
 GOTO CMD9
 BTFSC RXDATA,0
 GOTO CMD9

LOOP_CSD  ; 無限ループです
 MOVLW B'11111111'
 CALL SPI

 ; ここに RXDATA を読む処理を追加

 GOTO LOOP_CSD

 １０、コマンド２４

最初に、このコードはＳＤカードに書き込みをします。
すでにあるＳＤカード内のデータが読めなくなるので注意。

コマンド２４はＳＤカードへの書き込みコマンドです。
コマンド２４は４バイトのデータ領域に開始バイト位置を記述します。
例えば２セクタめから書き込みたいとします。
このとき１セクタのサイズは５１２バイトなので、開始位置は１０２４バイトのところになります。
よって、データ領域は 00 00 04 00 となります。
このとき、コマンド２４は５バイトの 「24 00 00 04 00 01」 と書きます。

コマンド２４は 0xFF を送り続けて 0x00 が返ってくれば成功です。

コマンド２４が成功したらダミーをいくつか送ります。
書き込み開始は最初に 0xFE を送ります。
次に１セクタぶんの５１２バイトを送信します。
最後に２バイトのＣＲＣを送りますがここは 0x00 0x01 を送ります。

次に 0xFF を送り２進数で ???00101 が返れば送信成功です(? は不定)。
ＳＤカードは書き込みが終わるまで出力ピンがＬｏｗになります。
出力ピンがＬｏｗからＨｉｇｈになるまでコマンドは送らないようにします。

さて、これで書き込みは成功したのですが、
書き込んだあとの返信が

11110010 10000000 00000011 11111111

となってしまいました。
確かに 00101 となっている部分があるので成功なのかなと思います。
ただし、１ビットずれて１バイト単位におさまっていません。
こういうものなのか、これでは失敗なのかわかりません。
もしかすると１つずつクロックを送って１ビット単位でのチェックが必要なのかもしれません。
ともあれ書き込みはうまくいきました。

CMD24
 MOVLW 0xFF  ; ダミー
 CALL SPI
 MOVLW 0x58
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x01
 CALL SPI

LOOP_CMD24
 MOVLW B'11111111'
 CALL SPI

 BTFSC RXDATA,7
 GOTO LOOP_CMD24
 BTFSC RXDATA,6
 GOTO CMD24
 BTFSC RXDATA,5
 GOTO CMD24
 BTFSC RXDATA,4
 GOTO CMD24
 BTFSC RXDATA,3
 GOTO CMD24
 BTFSC RXDATA,2
 GOTO CMD24
 BTFSC RXDATA,1
 GOTO CMD24
 BTFSC RXDATA,0
 GOTO CMD24

 MOVLW B'11111111'  ; ここからダミーをいくつか送る
 CALL SPI
 MOVLW B'11111111'
 CALL SPI
 MOVLW B'11111111'
 CALL SPI
 MOVLW B'11111111'
 CALL SPI

 MOVLW B'11111110'  ; この次から書き込み開始
 CALL SPI

; ここからＦＡＴ１２のヘッダデータを書き込み
;0-15
 MOVLW 0xEB
 CALL SPI
 MOVLW 0x3C
 CALL SPI
 MOVLW 0x90
 CALL SPI
 MOVLW 0x4D
 CALL SPI
 MOVLW 0x53
 CALL SPI
 MOVLW 0x44
 CALL SPI
 MOVLW 0x4F
 CALL SPI
 MOVLW 0x53
 CALL SPI

 MOVLW 0x35
 CALL SPI
 MOVLW 0x2E
 CALL SPI
 MOVLW 0x30
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x02
 CALL SPI
 MOVLW 0x02
 CALL SPI
 MOVLW 0x08
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI

;16-31
 MOVLW 0x02
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x02
 CALL SPI
 MOVLW 0x40
 CALL SPI
 MOVLW 0x1F
 CALL SPI
 MOVLW 0xF8
 CALL SPI
 MOVLW 0x0C
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI

 MOVLW 0x01
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x01
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI

;32-47
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x29
 CALL SPI
 MOVLW 0x3E
 CALL SPI

 MOVLW 0x00
 CALL SPI
 MOVLW 0x9E
 CALL SPI
 MOVLW 0x40
 CALL SPI
 MOVLW 0x4E
 CALL SPI
 MOVLW 0x4F
 CALL SPI
 MOVLW 0x20
 CALL SPI
 MOVLW 0x4E
 CALL SPI
 MOVLW 0x41
 CALL SPI

;48-63
 MOVLW 0x4D
 CALL SPI
 MOVLW 0x45
 CALL SPI
 MOVLW 0x20
 CALL SPI
 MOVLW 0x20
 CALL SPI
 MOVLW 0x20
 CALL SPI
 MOVLW 0x20
 CALL SPI
 MOVLW 0x46
 CALL SPI
 MOVLW 0x41
 CALL SPI

 MOVLW 0x54
 CALL SPI
 MOVLW 0x31
 CALL SPI
 MOVLW 0x32
 CALL SPI
 MOVLW 0x20
 CALL SPI
 MOVLW 0x20
 CALL SPI
 MOVLW 0x20
 CALL SPI

; ここまで６２バイトの書き込み

; ６６バイトの 0x00 の書き込み
 MOVLW D'66'
 MOVWF T0
LOOP_W0
 MOVLW B'00000000'
 CALL SPI
 DECFSZ T0,F
 GOTO LOOP_W0

; １２８バイトの 0x00 の書き込み
 MOVLW D'128'
 MOVWF T0
LOOP_W1
 MOVLW B'00000000'
 CALL SPI
 DECFSZ T0,F
 GOTO LOOP_W1

; １２８バイトの 0x00 の書き込み
 MOVLW D'128'
 MOVWF T0
LOOP_W2
 MOVLW B'00000000'
 CALL SPI
 DECFSZ T0,F
 GOTO LOOP_W2

; １２８バイトの 0x00 の書き込み
 MOVLW D'128'
 MOVWF T0
LOOP_W3
 MOVLW B'00000000'
 CALL SPI
 DECFSZ T0,F
 GOTO LOOP_W3

; ＣＲＣは 0x00 01 を送る
 MOVLW B'00000000'
 CALL SPI

 MOVLW B'00000001'
 CALL SPI

LOOP_WRITE  ; 無限ループです
 MOVLW B'11111111'
 CALL SPI

 ; 書き込み成功の確認をする

 GOTO LOOP_WRITE