ＳＨ７１４４のＳＰＩでＳＤカードを制御

ＳＨ７１４４でＳＤカードコントローラを試作

ＣＱ出版のインターフェイス誌、２００６年６月号の付録基板を使って、ＳＰＩモードでのＳＤカード制御の記録です。
ここでは、２ＧまでのＳＤカードの標準的なコマンド、CMD0 (res = 01)---> CMD1(res = 01)..... (res = 00 ready) という簡単なイニシャルでは反応しない、４Ｇ超のＳＤＨＣの制御も可能にします。
　ＲＸ６２Ｎ　こちらは随時追加→ＲＸ６２ＮのＳＰＩでＳＤカードを制御
　ＳＨ２Ａ（ＳＨ７２６２）こちらは随時追加→ＳＨ２ＡのＳＰＩでＳＤカードを制御、ＳＨ７２６２でのスピード評価
ＴＥＣＨＩ　シリーズ　Ｖｏｌ３５を参考に、ＳＰＩ接続はそのままの回路としますが、若干の回路を追加しています。その理由は、ＳＤカードはコマンドを間違えると、電源を切らないと復帰できない状態になる場合があるので、ソフトウエアでＳＤカードの電源をＯＮ、ＯＦＦできるようにするためです。こうすると、ＳＤカードが反応しなくなっても、ソケットから出すことなく、電源ＯＮ（ソケットにカードを挿入）からのシーケンスを、ソフトで制御でき、デバッグがしやすくなります。必要な部品は、適当なユニバーサル基板、接続用コネクタ、ＦＥＴ（２ＳＪタイプで５００ｍＡ流せ、３Ｖでゲート操作できるもの）と抵抗１本（電源ＯＦＦを確実にするための放電抵抗）、タンタルコンデンサ２個（１６Ｖ１０μぐらい）です。その他、２本のプルアップ抵抗（２２ｋΩ）。
ＳＨ７１４４基板には、裏に４ＭビットのＳＲＡＭを実装しています。このメモリ上でプログラムのテストを行います。また、ＳＤカードの制御では、作業メモリを大きくすると、いろいろ便利だからです。

試作回路はこのようになります

表１　接続
ＳＤカードピン意味	ＳＤカードピン番号	ＣＱ基板のＪ２コネクタ	ＳＨ７１４４ピン番号	ＳＨのピンの意味
ＣＬＫ	５	１２	１０６	ＰＥ８（ＳＣＫ２）
ＣＳ	１	１３	１０７	ＰＥ９
ＤＩ（ＣＭＤ）	２	１４	１０８	ＰＥ１０（ＴＸＤ２）
ＤＯ（ＤＡＴ０）	７	１１	１０５	ＰＥ７（ＲＸＤ２）
ＧＮＤ	３、６	３９	２，２３・・・	ＧＮＤ
ＶＤＤ	４	ＦＥＴ（Ｄ）	１１０	ＰＥ１１

装置の全体

ＳＨ７１４４基板と、ＳＤカードソケットを接続した状態。電源は、下のユニバーサル基板へ、５Ｖを供給します。ＳＨ７１４４は、ＲＳ２３２Ｃでパソコンと接続して、ＲＳ２３２Ｃターミナルソフトで、ＳＨ７１４４を操作します。ターミナルソフトは、テラタームなどを使います。
ＳＤカードソケットは、CK-29　サンハヤトのＳＤカード基板を使ってますが、この基板上に、ＳＤカードのＶＤＤとＧＮＤの間に、１０μＦのタンタルコンデンサを接続しています。電源ＯＦＦを確実にするための放電抵抗は、１ｋΩとしています。１０μＦと１ｋΩで、時定数は１０ｍｓになり、４０ｍｓ待てば、計算上３．３Ｖ／（２．７１＾４）＝０．０６Ｖぐらいになり、ＤＩとＤＯを、２２ｋΩでプルアップしているので、０．３Ｖほど高くなりますが、十分放電できます。

左から、接続用のユニバーサル基板の裏側。電源制御に使うＦＥＴ（ここでは、”２ＳＪ３２７を使用）。各基板を分離したところ。

ＳＨ７１４４の初期設定

ＳＨ７１４４の電源ＯＮ直後、バス幅、ウエイト、アドレス有効、などを設定します。ＣＱ７１４４基板は、外部拡張可能な、モード２となっていますが、チップセレクト１で外部のＳＲＡＭを１６ビットバスで接続できる設定にします。また、電源ＯＮで、オンボードのＬＥＤが点灯します。この表の上の部分は、アセンブラで記述した部分で行うもので、Ｃ言語で書いたＳＤカードの制御プログラムで、残りのレジスタを初期設定します。

表２　電源ＯＮ直後のレジスタ初期設定
レジスタ名（幅）	レジスタのアドレス	設定値	動作
PACRL1 (16)	0xFFFF838C	0x5550	RD/WRL/WRH/CS1/CS0有効
PBCR1 (16)	0xFFFF8398	0x000A	A21/A20有効
PBCR2 (16)	0xFFFF839A	0xA005	A19-A16有効
PCCR (16)	0xFFFF839C	0xFFFF	A15-A0有効
PDCR1 (16)	0xFFFF83AC	0xFFFF	D0-D15有効
PEIORL (16)	0xFFFF83B4	0x8000	PE15 出力、PE14---PE0 入力
PEDRL (16)	0xFFFF83B0	0x0000	ＬＥＤ点灯
BCR1 (16)	0xFFFF8620	0x200F	CS1 16bit Size
WCR1 (16)	0xFFFF8624	0xFF01	エリア1=ウェイト0, エリア0=ウェイト1

表３　プログラム起動後のレジスタ初期設定
レジスタ名（幅）	レジスタのアドレス	設定値	動作
MSTCR (16)	0xFFFF861C	読み出し値 & 0xFFFD	内臓ＳＣＩ＿１を有効。ＲＳ２３２Ｃコンソール
MSTCR2 (16)	0xFFFF861E	読み出し値 & 0xDFCD	タイマー４などを有効
TCR4 (8)	0xFFFF8201	0x05	タイマー４のクロック入力を、Pφ(24MHz)／１０２４に設定
TSTR (8)	0xFFFF8240	0x80	タイマー４を自走カウントアップ
SMR1 (8)	0xFFFF81B0	０	SCI_1 調歩同期、8bit、NOPARITY、1STOP、クロックレート０
PACRL2 (16)	0xFFFF838E	0x2145	PA7=INOUT,CS2=OUT,PA5=INOUT,SCI_1=enable,SCI_0=enable
PAIORL (16)	0xFFFF8386	0x8012	TXD0=OUT,TXD1=OUT,PA15(CK)=OUT
BRR1 (8)	0xFFFF81B1	0x0C	Pφ(24MHz) x 1/13 x 1/32 --> 57692 (57.6k)

ＳＨ７１４４の初期設定プログラム

制御プログラムは、ＣｙｇｗｉｎのＧＣＣで開発しています。ＧＣＣのバージョンは４．０２です。
アセンブラで記述したスタートアップは、こちらです。
その他の初期設定は、こちらです。

ＳＨ７１４４のＳＰＩポートの設定と、ＳＤカードの電源ＯＦＦ－－＞ＯＮ

ＳＨ７１４４には、シリアルポートが４本あり、ＳＣＩ＿２を使います。クロック同期モードに設定し、ＭＳＢから出てくるように設定します。ＳＨ７１４４のＳＣＩには、ＭＳＢから出すモードがあるので、ＳＤカードをＳＰＩで制御するには便利です。ＳＣＩ＿２を同期モードで使うには、ＳＣＩ＿２を有効にする以外に、対応するＩ／Ｏポートの入出力も設定しておきます。ＴＸＤ２、ＳＣＫ２は出力、ＲＸＤ２は入力とします。
使用しているポートは多機能なので、またＳＤカードの電源を切ってもＤＩ（ＣＭＤ）ピンや、ＣＳピンがＨｉｇｈだと、これらの信号がＳＤカード内部で電源に回り込み、単に電源をＯＦＦにするだけでは、２Ｖ付近までしか下がりません。その為以下の手順になります。

ＳＤカードへの出力はすべてＬｏｗにします。ＣＳ＝Ｌｏｗ、ＣＬＫ＝Ｌｏｗ、ＤＩ（ＣＭＤ）は、ＳＣＩ＿２のＴＸＤ２ポートを単なる入出力ポートに設定するため、ＰＥＣＲＬ１、ＰＥＣＲＬ２に全て０を書きます。また、ＭＳＴＣＲの設定で、ＳＣＩ＿２を無効にします。Ｄ２＝１
ＦＥＴのゲートをＨｉｇｈにします。これでＳＤカードへの電源供給が止まり、放電抵抗１ｋΩでタンタルコンデンサを放電します。
４０ｍｓ待ちます。時間を正確にするため、タイマー４のカウントを読んで、正確に４０ｍｓ以上待ちます。
ＦＥＴのゲートをＬｏｗにして、ＳＤカードに電源を供給します。ＣＳ、ＣＬＫ２、ＴＸＤ２ポートをＨｉｇｈに出力します。
ＭＳＴＣＲの設定で、ＳＣＩ＿２を有効にします。
ＳＣＩ＿２のＣＬＫを出力に設定します。ＳＣＲ２＝１
ＳＣＩ＿２のビット出力をＭＳＢから始まるようにします。ＳＤＣＲ２＝０ｘＦＡ
ＳＣＩ＿２を同期シリアルに設定します。ＳＭＲ２＝０ｘ８０
ＳＣＩ＿２のボーレートプリスケーラを１／１６に設定して、３７５ｋＨｚにします。ＢＲＲ２＝０ｘ０Ｆ
時間経過待ちをします。ボーレートの１クロック間以上待ってから次の設定をするためです。
ＳＳＲ２を読んで、０を書きます。ＳＣＩ＿２のエラーステータスをすべてクリアします。
ＳＣＲ２に０ｘ３１を設定して、シリアル入出力を有効にします。
ＰＥＣＲＬ１、ＰＥＣＲＬ２に、それぞれ、０ｘ００２２、０ｘ８０００を設定して、ＳＣＩ＿２のシリアルポートを有効にします。
ダミークロックを出します。規定では、７４クロック以上となっていますが、ここは適当に８０としています。

以上で、ＳＤカードへの操作ができるようになります。このあと、コマンドをＳＤカードに出しますが、ＳＤＨＣの場合は、ＣＭＤ０、ＣＭＤ１だけではＲＥＡＤＹにできないようで、Simplified Version of PHYSICAL LAYER SPECのＳＰＩモードでの初期化手順に従い、ＣＭＤ０、ＣＭＤ８、ＣＭＤ５８、ＡＣＭＤ４１、ＣＭＤ５８、ＣＭＤ９と進めます。この手順では、ＳＤＨＣでない、２ＧＢ以下のＳＤカードでもＲＥＡＤＹにできます。

電源の制御と、ＳＰＩの初期化プログラムはこちら。mmcbios.c
ヘッダーファイル１common.h
ヘッダーファイル２sh7144.h

上記の処理で、電源波形（上）と、ＣＬＫ２（下）の波形を観察したものです。

ＳＤＨＣを含むＳＤカードの初期化

ポートの初期化後、ＣＳをＨｉｇｈにして、４００ｋＨｚで、ダミークロックを出す。０ｘＦＦを１０回出力します。
ＣＳをＬｏｗにして、ＣＭＤ０を出します。ＣＳがＬｏｗだと、ＳＰＩモードになります。ＳＨ２の同期モードでは、何かを出力しないとＣＬＫが出ないので、コマンドを出した後、０ｘＦＦを出しながら、入力完了フラグを見て受信します。また、所定のレスポンスを受信した後、ＣＳをＨｉｇｈにしてから、０ｘＦＦを出力して、ダミークロックだけ出しておきます。このようにしないと、ＳＤカード側で次のコマンドを受け付けてくれないようです。（ダミークロックがなくても受け付けるＳＤカードもあります）
ＣＭＤ８を出します。３２ビットの引数は、マニュアルにより、０ｘ０００００１ＡＡとします。古いタイプのＳＤカードでは、このコマンドは未定義命令 illegal command bit (0x4)を返し（０ｘ０５）ますが、このまま続けます。
ＣＭＤ５８を出します。レスポンスは、not ready ０ｘ０１から始まって、０ｘ００、０ｘＦＦ、０ｘ８０、０ｘ００　となります。
ＣＭＤ５５を出してレスポンス０ｘ０１を待ち、ダミークロックの為、０ｘＦＦを出します。この後ＡＣＭＤ４１を出します。レスポンスが、not ready ０ｘ０１だと、ＣＭＤ５５、ＡＣＭＤ４１を再度出し、０ｘ００になるまで続けます。
レスポンス０ｘ００を確かめると、ＣＭＤ５８を出します。レスポンスに続いて出されるのがＯＣＲで、０ｘＣ０、０ｘＦＦ、０ｘ８０、０ｘ００となり、０ｘＣ０のビット０ｘ４０が、ＳＤＨＣであることを示しています。ＳＤＨＣでない場合は、０ｘＣ０のところが、０ｘ８０になっています。
これでＳＤカードは ready 状態で、リード、ライト可能になっていますが、さらに、ＣＭＤ９を出して、ＣＳＤを読み出します。ＳＤＨＣの場合は、読み出したＣＳＤのバージョンが２になっていて（ビット１２７－１２６が、０１）ＣＳＤの内容が標準のＳＤカードと異なります。大きな違いは、カードの容量を示す部分で、２２ビットあり、単位が５１２ｋＢとなって、最大２Ｔバイトまで示すことができます。
ＣＳＤには、ＳＤモードでのクロックスピードを、５０ＭＨｚに対応しているかを示すビットもあります。（ビット１０３－９６＝０ｘ５Ａで５０ＭＨｚ、　１０３－９６＝０ｘ３２で、２５ＭＨｚ）
ＳＰＩモードでは２０ＭＨｚが上限ですが、ここでＳＨ７１４４のシリアルクロックを３７５ｋＨｚから最大の６ＭＨｚに変更します。ＢＲＲ２＝０。

上記ＳＤカードの初期化を含むＳＨ７１４４モニタプログラム

ＳＤカードの操作プログラムはこちらmmc7144.c
ヘッダーファイル３mmc.h
内臓ＲＯＭ用Ｓレコードファイル。ＳＨ７１４４のフラッシュに書きますmmc7144r.mot
外部ＲＡＭ用Ｓレコードファイル。外部ＳＲＡＭにロードして、０ｘ４００４００番地から実行できますmmc7144.mot
モニタプログラムの操作。一部準備中sh2mon.html