专利名称：一种多功能小型存储卡及其插槽的制作方法
技术领域：
本实用新型是有关于存储卡接口装置，尤其是一种可接收多功能小型存储卡接口及USB接口的多功能小型存储卡接口。
采用矽晶片作为储存媒体的小型存储卡，因具备体积小、重量轻、读写速度快、省电等优点，广泛应用于数字化的资讯产业与资讯家电产业，作为储存与交换数字资讯之用。目前市场上常见的小型存储卡可分为Compact Flash卡(CF卡)、Smart Media卡(SM卡)、Multi Media卡(MMC卡)、Memory Stick卡(MS卡)、SecureDigital卡(SD卡)等不同种类。各种小型存储卡，其外观尺寸、机械构装、电气接触位置、通讯协定、软件指令代码、控制流程等各有不同，亦各有其优劣点。
小型存储卡广泛应用于各种可携式数字装置，涵盖移动电话、数字相机、数字音乐随身听、可携式数字随身助理(PDA)等。为拓展其应用领域，除储存功能外，亦有开拓其他应用领域的产品出现。例如CF接口的数据机卡、网路卡；Memory Stick接口的数字相机卡、Blue Tooth通讯卡；SD接口的Blue Tooth通讯卡等。为有别于仅具储存功能的存储卡，一般均将上述其他功能的应用泛称为IO卡。
上述各种小型存储卡接口，虽可适用于各式可携式数字装置，与不同应用，然而却因各有其缺失，而有遗珠之憾。就其规格的缺失而言，今略举数例分别予以说明就Compact Flash卡而言，其接口需50组接点，机构采插针、插孔结合式，电气接口采8位元、16位元并存的并列式资料总线、具11组信号的位址总线，及多组各种不同用途的控制信号线。
Compact Flash接口的缺点为一、机构上须具备50组连接端子，数量最多，造成连接器成本较高，亦较占空间。二、探用插针、插孔结合式连接设计，造成插入、退出需较高力度。三、插针耦合插孔定位不准确时，容易造成插针歪斜偏离损坏。四、采用并列式总线设计，连接多卡时，电子应用装置必须分别提供启动选择信号，无法迳行并连多卡。五、未具备防写保护设计，无法确保记忆内容不受毁损。
就Smart Media卡而言，其接口需22组接点，机构采簧片与平面接触端子接触式。另需两组簧片分别作为侦测存储卡是否插入定位，以及是否黏贴防写导电贴纸之用。
Smart Media接口的缺点为一、机构上须具备22组连接端子，另须具备侦测定位与防写导电贴纸的簧片造成连接器成本较高，亦较占空间。二、连接端子采前后双排设置，於插置或退出时，第一排接触位置会先连接第二排连接端子，造成插置时不稳定的现象。三、电源连接信号VCC与GND均于两排连接端子之间，横断整组连接位置，亦容易端子间短路等不稳定现象。四、采用贴标签方式区别存储卡是否防写，需额外供应特殊导电的防写标签，且其防写功能并非直接保护存储卡内容，而需仰赖电子应用装置侦测识别防写状态。五、采实体定址方式，不能直接支援一般系统采用的线性逻辑定址方式，增加电子应用装置的成本与开发困难度。六、因采实体定址方式，每逢储存媒体扩增容量，即需因应矽晶片规划的格式，修订新版规格以支援容量更大的可擦写式矽晶片。
就MMC卡而言，其接口需7组接点，机构采簧片与平面接触端子接触式。另需一组簧片作为侦测存储卡是否插入定位。
MMC接口的缺点为一、采串列通讯传输模式，每一时脉周期仅传输1位元，传输速率低。二、采用软件防写保护模式，需特殊软件控制，防护功能实用性较差。
就SD卡而言，其接口需9组接点，机构采簧片与平面接触端子接触式。另需两组簧片作为侦测存储卡是否插入定位，及侦测防写保护滑块位置的用途。
SD卡接口的缺点为防写保护滑块需电子应用装置侦测其位置，并支援防写功能。
就MS卡而言，其接口共需10组接点，机构采簧片与平面接触端子接触式。连接接口具备插卡侦测信号，且存储卡本身具备防写开关，存储卡本身即可支援防写功能为其优点。
MS卡接口的缺点为一、采串列通讯传输模式，每一时脉周期仅能传输1位元，传输速率低。二、采实体定址方式，不能支援一般系统采用的线性逻辑定址方式，增加电子应用装置的成本及开发困难度。三、因采实体定址方式，每逢储存媒体扩增容量，即需因应矽晶片规划的格式，修订新版规格以支援容量更大的可擦写式矽晶片。
有鉴于众多存储卡标准各自相异，亦各具优缺点，且个人电脑需扩充配备额外的USB接口、PCMCIA接口或IDE接口的存储卡电子应用装置，方能达到与存储卡沟通交换数字资讯的目的，本实用新型人乃有提出一更先进新颖的标准，一举克服上述诸多缺失，并发展出一、体积更小，速度更快，更适合可携式数字装置应用；二、无须额外扩充电子应用装置即能轻易连接个人电脑系统；三、兼顾IO应用扩充性等优点的新颖标准接口，并称之为多功能小型存储卡接口。
为达到上述目的本实用新型提供一种多功能小型存储卡，用于储存数字资讯功能支援其他IO功能，包含一存储卡I/O功能模组提供储存数字资讯功能，一存储器提供储存数字资讯功能，及一主控制器是连接于该存储卡I/O功能模组及该存储器之间。该多功能小型存储卡同时具有4脚位及8脚位的设计。4脚位的设计是用于于基本的USB接口。8脚位的设计称为SFMI接口，由4-bit双向指令/资料/状态总线、时脉同步信号、系统接口及存储卡插置侦测信号，以及电源与接地所组成，其中电源与接地，同于USB接口中的电源与接地接脚。
本实用新型还提供一种多功能小型存储卡插槽，具有4脚位及8脚位的设计，其中4脚位的设计是用于于基本的USB接口，8脚位的设计用于SFMI接口，8脚位的SFMI接口有四个插脚同于USB接口的4脚位，另四个插脚则分布在该USB接口的四脚位之间。该插槽分为公插槽及母插槽。
图11是本实用新型中封包状态码的资料结构及该资料结构与时脉的关系图。
本实用新型的多功能小型存储卡如图1中所示，其中该多功能小型存储卡200包含一存储卡I/O功能模组210，一主控制器220，及一存储器230。经整合装置于印刷电路板上后，于印刷电路板上并提供多功能小型存储卡接口端子，裸露于外，以连接装置电子100。最后并于此己具完整电气功能的电路板外加塑胶射出成型的外壳，组装成为完整的多功能存储卡或IO卡。与该多功能小型存储卡对接的电子应用装置100包合装置模组110。格式转换器120，装置I/O 130。
该存储卡I/O功能模组210是用于存储卡的数据输入及输出的功能模组及其包含连结端子及相关的电路结构。本实用新型的多功能小型存储卡可以同时支援USB接口及本实用新型定义的SFMI接口。其中该端子具有4脚位及8脚位的设计。4脚位的设计是用于于基本的USB接口，其包含一VCC脚位是由对接的装置端提供直流电源予本实用新型的多功能小型存储卡的脚位，以对多功能小型存储卡赋能，一GND(接地脚位)，是对于本实用新型的设计提供接地保护及参考电位之用，另两个脚位分别为D+及D-脚位，为数据传输脚位。
本实用新型的多功能小型存储卡接口为一8脚位的设计，由4-bit双向指令/资料/状态总线(D0-D3)、时脉同步信号(CLK)、系统接口及存储卡插置侦测信号(CD)，以及电源脚位(VCC)与接地脚位(GND)所组成，总共仅需8组接点。防写保护功能由多功能小型存储卡内建的防写保护开关切换位置选择，并且通过接口通讯通知电子应用装置100。其中该VCC为一DC电源接点，是用于提供DC电流予多功能小型存储卡，以赋能该多功能小型存储卡；GND为接地接点，是用于提供接点保护及参考电位；CLK同步时脉信号，对于输出及输入数据提供同步时脉，以便于数据信号的时序重建及信号对齐之用，BD_CD为系统接口及存储卡插置侦测信号，是用于侦测输入及输出数据是为USB接口信号，亦或SFMI接口信号。D0为双向指令/资料/状态总线信号bit0，于USB模式工作中，为D-信号线；D1为双向指令/资料/状态总线信号bit1，于USB模式工作中，为D+信号线；D2为双向指令/资料/状态总线信号bit2，于USB模式工作中，不存在此信号线；且D3为双向指令/资料/状态总线信号bit3，于USB模式工作中，不存在此信号线。
由上文中的说明可以了解本实用新型的SFMI接口与基本上的USB接口共用四个接点。即VCC，GND，D-(D0)及D+(D1)。另外本实用新型还包含CLK，BD_CD，D2及D3四个接点。所以在插接结构(包含插入端子及插槽)的设计上，可以在原来USB接口的四个接点之间另安排四个接点，而使得本实用新型SFMI接口的插接结构可以与USB接口的插接结构共用，而毋需另行配置不同的插接结构。
本接口的另一特点，则在于4位元双向总线中D0及D1两组信号线，于电子应用装置100采用USB接口连接存储卡时，改采USB接口动作模式。而成为USB接口所需的D+与D-信号线。并支援标准USB接口的通讯模式，得以无须任何额外电子应用装置100，即可装置于个人电脑或支援USB系统接口的数字装置。
请参见图3，本实用新型的主控制器220包含四个组件，一I/O控制器221，一存储器控制器222，一格式器223，及一解格式器224。其中该I/O控制器221是用于控制存储卡I/O功能模组210，包含决定该存储卡I/O功能模组210是以输入模式操作或以输出模式操作，或以SFMI接口或USB接口模式操作等。该存储器控制器222则用于控制存储器230，而格式器223，及一解格式器224则进行USB接口信号及SFMI接口信号的格式转换，以配合存储卡I/O功能模组210的操作模式。有关于格式器223，及解格式器224的动作此将于下文中加以说明。
系统接口与存储卡插置侦测信号存储卡插置侦测信号，于存储卡内部连接至控制晶片的多功能输出入控制信号，于支援多功能小型存储卡接口的电子应用装置100端则经一电阻连接至电源。于支援USB系统端的接口则不连接此信号，以达成多功能存储卡可借由此信号侦测电子应用装置100采用的系统接口，而电子应用装置100亦可利用此信号达成侦测小型存储卡是否插置定位的功能。
该存储卡I/O功能模组的接口侦测电路包含一电源310，一BD输入侦测端320，一CD输出侦测端330，一第一二极管360，一第二二极管370，一第一电阻340，及一第二电阻350。
该存储卡I/O功能模组的功能是经由侦测系统接口及存储卡插置侦测信号(BD_CD)的出现与否而决定插入端为USB接口或SFMI接口。
小型存储卡插置于支援小型存储卡接口的电子应用装置100，由于电子应用装置100不论小型存储卡是否插置均持续供应电源，小型存储卡于启动时，应首先维持CD信号为高阻抗状态，以免影响BD_CD信号侦测检查动作。然后随即检查BD_CD信号的状态。若BD_CD信号状态为高电位，即代表系统端支援小型存储卡接口，而进入小型存储卡接口动作模式，并随即驱动输出CD信号为低电位，通知电子应用装置100小型存储卡已插置定位；反之，若BD_CD信号为低电伉，则表示系统端未将BD_CD信号透过电阻连接到电源，代表支援USB接口，而进入USB接口动作模式。
在图4A、图4B所示的电路中，VCC接点连结电源310，系统接口及存储卡插置侦测信号BD_CD经顺向连结的第一二极管360连结BD输入侦测端320，且经逆个连结的第二二极管370连结该CD输出侦测端，而系统接口及存储卡插置侦测信号BD_CD以一第二电阻连结接地端GND，该VCC与系统接口及存储卡插置侦测信号之间连结该第一电阻。在图中第一电阻为10KΩ且第二电阻为100KΩ，其是本实用新型的一较佳的实施例，其他适当的数值也可以应用在本实用新型中，而不受限于图式中的较佳实施例。该第一电阻及第二电阻的功能在于将BD_CD及VCC升压以提供所需要的电路动作。
当USB接口插入该多功能小型存储卡时，参考图4A，则第一二极管360将导通，而使得BD输入端320导通，因此可以知道插入的接口为SFMI接口。反之当系统接口及存储卡插置侦测信号BD_CD没有输入时，第一二极管360不导通，所以得知输入的信号为USB接口信号。
反之在输出模式下，当输出的信号为SFMI接口信号时，第二二极管370导通，输出的信号为SFMI接口信号，反之为USB接口信号。当此多功能小型存储卡在侦测到插置接口为SFMI接口时，随即将BD_CD信号转为输出模式，并输出低电位以通知读写装置该卡已插置定位。
多功能小型存储卡通讯协定说明多功能小型存储卡接口，采用半双工，4位元串流方式，以CLK信号为基准，每一时脉可传输4位元资讯。资讯传输方式由电子应用装置主控，下达传输指令及传输长度后，决定资料阶段传输长度。为提高本接口的应用性，及简化整体系统设计，接口传输以资料封包(packet)为单位。且其通讯协定以存储卡内模拟的通讯端点(endpoint)为资讯传输的来源(source)或目标(sink)。
所有支援“功能小型存储卡接口”的存储卡或IO卡，均至少需支援一组通讯端点，称为“控制端点”(Control Endpoint)，其端点位址为0。电子应用装置得以透过此一控制端点取得存储卡或IO卡的详细描述，知其功能及其他通讯端点的设定。并进行适当的设置后，启动其功能，并进行资料的传输。
(1)起始位元/结束位元-Start bit/End bit电子应用装置与存储卡于启动资料传输时，均须于资料封包最前端产生一个时脉周期D0-D3均为0的起始位元，于资料封包最末端附加两个时脉周期D0-D3均为1的结束位元。
(2)封包识别码-Packet Identifier(PID)请参考图5，通讯封包自封包识别码(PID)开始，并视识别码种类不同，得应用于不同场合。每一组资料封包含有1.封包识别码标示封包传输资料的方向，传输端点位址，及资料长度；2.酬载资料，内含一组CRC资料错误侦测代码；3.封包状态码，接收酬载资料的一方，传回接收状态确认资料是否正确收到。封包识别码0001标示电子应用装置将进行资料输出的传输。封包识码1001标示电子应用装置将进行资料输入的传输。封包识码1101标示电子应用装置将针对控制端点进行设置或取得相关资讯。封包识码0010标示资讯接受端确认资料封包收妥。封包识码1010标示资讯接受端暂时无法接收资讯，或传出端暂时无法传出资讯。封包识码1110标示通讯端点停止工作，或控制端点不支援该控制指令。
PID识别码合计4位元，为防通讯失误，予以反向附加4位元，形成合计8位元以升幂方式排列，分两次于两组时脉中完成传输。如图6中所示。接收端收到正确完整的PID及PID’，且PID＝(PID’)’即确认所收到PID正确无误。
(3)通讯端点-Endpoint通讯端点是支援小型存储卡接口的小型存储卡或IO卡与电子应用装置进行资料传输的基本单位。对应个别通讯端点，于小型存储卡或IO卡中，具备特定容量大小的资料缓冲区，作为暂时存储电子应用装置与小型存储卡之间通讯封包所酬载资料之用。
支援小型存储卡接口的小型存储卡或IO卡，最高可支援16组通讯端点，分别以通讯封包中的通讯端点位址指定封包传输的对象。
支援小型存储卡接口的小型存储卡或IO卡，至少须具备一组通讯端点，其位址设定为0。电子应用装置透过小型存储卡接口侦测到小型存储卡插置后，即可透过通讯端点0取得有关小型存储卡的识别码、功能形式、支援通讯端点数量、各通讯端点位址及通讯端点形式等相关资讯。
通讯端点区分为下列四种，分别适用于电子应用装置与小型存储卡或IO卡之间进行不同型态的资料传输。
控制端点-小型存储卡与IO卡必须具备一组端点位址为0的控制端点。控制端点的功能是容许电子应用装置于启动小型存储卡时，取得小型存储卡的识别码、功能形式、支援通讯端点数量、各通讯端点位址及通讯端点形式等相关资讯。
资料输入端点-用于容许电子应用装置自小型存储卡或IO卡输入大量资料。
资料输出端点-用于容许电子应用装置将大量资料输出至小型存储卡。
状态中断输入端点-用于容许小型存储卡或IO卡设定要求电子应用装置以设定的间隔周期，重复自小型存储卡或IO卡输入状态中断输入资讯。
如图7中所示，传输标示封包借由标示通讯端点，指定后续资料封包或状态封包对应的通讯端点。通讯端点在传输标示封包中，以4位元，紧接着PID后面在一个时脉通期中完成传输。
(4)资料长度-Data Length如图8中所示，在ENDP后，以3个时脉周期内传输12个位元代表DATA长度的DATL。DATL以1个BYTE为单位，0x000代表4096个BYTE，最小值为0x001代表1个BYTE(5)酬载资料-Payload Data封包实际承载的资料(PDAT)，并传输至通讯端点的资讯。DATL设定酬载资料长度。传输时，每一位元组分别于2个时脉周期内传输完毕。传输方向由电子应用装置于封包识别码中指定。如图9中所示，酬载资料最后附加16个时脉周期的CRC16错误检查码。其中，CRC16的演算法为除2求余除法，更进一步可为具有G(X)＝X16+X15+X2+1形式的多项式除2求余除法。资料传输顺序如图10中所示。
(6)封包状态码-Packet Status Acknowledge由接收资料的一方，于酬载资料接收完毕后，确认检查码是否符合，然后依据接收结果确认接收资料是否正确。若正确完成接收，则传回ACK，若暂时无法完成接收，或检查码显示资料有错误，则传回NAK要求重传，若存储卡内部发生错误，或执行指令结果发生错误，则传回STALL。如图11中所示。
(7)资料格式所有通讯封包均由电子应用装置(系统端)发动进行传输，资料封包的顺序依序为起始位元，封包识别码，通讯端点，资料长度，酬载资料，封包状态码，资料格式，结束位元。由系统端启动资料传输产生封包识别码、指定通讯端点及资料长度。
若封包属于IN封包，装置端收到上述资讯后，若未能随即产生所需的资料，可回应装置状态码NAK，系统端随即中止后续传输，并可随即重新启动资料传输，再度尝试取得资料封包。若装置端已可回应所需资料，则装置端产生起始位元，并紧接着开始传回装置内部通讯端点内所占存的资讯，待满足系统端要求的资料长度后，随即附加16位元的CRC检查码。系统端收到检查码后，经检查确认无误，即可传回ACK。若资料有误，则传回NAK，并可重新启动封包，以取得正确的资料。
若封包属于OUT或SETUP封包，系统端于完成封包识别码、通讯端点位址、资料长度后，随即开始传入拟传入的资料，待达到系统端要求传入的资料长度后，随即附加16位元的CRC检查码。装置端收到检查码后，经检查确认无误，即可传回ACK。若资料有误，则传回NAK，并且由系统端主控决定是否重新启动封包，以取得正确资料。
(8)控制传输模式电子应用装置可透过控制传输模式，自预设的传输端点0取得与多功能存储卡相关的资讯，或设定其相关功能。控制传输模式区分为SETUP阶段、DATA阶段、STATUS阶段，其格式如下
在SETUP阶段，系统端送出SETUP封包，包含SETUP封包识别码，通讯端点位址为0，资料长度为8位元组，接着由系统装置送出8位元组的SETUP指令代码与参数与2位元组CRC16，最后由装置端传回状态码确认封包是否接收正常。
在8位元组的指令与参数中，自第一位元组开始，分别代表bmRequestType、bRequest、wValue、wIndex、wLength等，其定义及用途请参阅USB标准。其中各个参数的意义可参见表一中的控制传输资料格式表
表一控制传输资料格式表除标准指令码以外，装置类别专属指令与厂商专属特殊指令均由个别装置视其应用，或由厂商自行制定的。支援小型存储卡标准接口的小型存储卡或IO卡均必须支援标准指令码。标准指令码的定义请参阅下表
表二标准指令代码表在资料阶段，视bRequest代码及wLength，决定后续资料阶段传输的方向及长度。并由系统端启动依一般资料传输作业进行，传输长度依wLength设定。
在状态阶段，资料阶段完成后，视资料阶段的方向由接收资料的一方传回状态码确认资料传输结果是否正确。
(9)多功能小型存储卡接口的应用多功能小型存储卡接口可适用于不同用途的应用，前述仅涵盖实体层的定义，并未限制其应用领域。于补充制定适用的指令集与通讯协定，即可应用于储存装置、通讯装置，或其他适用的应用领域。
权利要求1.一种多功能小型存储卡，用于储存数字资讯及支援数据的输入及输出(I/O)；该多功能小型存储卡接口包含一存储卡I/O功能模组，用于储存数字资讯；一存储器，用于储存数字资讯功能；以及一主控制器，连接于该存储卡I/O功能模组及该存储器之间；其特征在于该多功能小型存储卡同时具有4脚位及8脚位的设计，其中4脚位的设计是用于于基本的USB接口，多功能小型存储卡另一接口为一8脚位的设计，称为SFMI接口，由4-bit位元双向指令/资料/状态总线(D0-D3)、时脉同步信号(CLK)、系统接口及存储卡插置侦测信号(CD)，以及电源(VCC)与接地(GND)所组成，总共仅需8组接点，其中电源(VCC)接脚与接地(GND)接脚同于USB接口中的电源(VCC)接脚与接地(GND)接脚。
2.根据权利要求1所述的多功能小型存储卡，其特征在于4-bit双向指令/资料/状态总线中有两个信号总线与USB接口的信号总线相同。
3.根据权利要求2所述的多功能小型存储卡，其特征在于D0为双向指令/资料/状态总线信号bit0，于USB模式中，为D-信号线；D1为双向指令/资料/状态总线信号bit1，于USB摸式中，为D+信号线；D2为双向指令/资料/状态总线信号bit2，于USB模式工作中，不存在此信号线；且D3为双向指令/资料/状态总线信号bit3，于USB模式工作中，不存在此信号线。
4.根据权利要求1所述的多功能小型存储卡，其特征在于该存储卡I/O功能模组，主控制器，及存储器整合于电路板后，于电路板上并提供多功能小型存储卡接口端子，裸露于外，以连接电子应用装置。
5.根据权利要求1所述的多功能小型存储卡，其特征在于该存储卡I/O功能模组的接口包含一侦测电路，是用于侦测耦合的接口为USB接口或SFMI接口。
6.根据权利要求5所述的多功能小型存储卡，其特征在于该侦测电路包含一电源，一输入侦测端，一输出侦测端，一第一单向电流元件，一第二单向电流元件，一第一电阻，及一第二电阻；其中VCC接点连结电源，系统接口及存储卡插置侦测信号经顺向连结的第一单向电流元件连结输入侦测端，且经逆向连结的第二单向电流元件连结该输出侦测端，而系统接口及存储卡插置侦测信号以一第二电阻连结接地端，该VCC与系统接口及存储卡插置侦测信号之间连结该第一电阻。
7.根据权利要求6所述的多功能小型存储卡，其特征在于该单向电流元件为二极管。
8.根据权利要求1所述的多功能小型存储卡，其特征在于该存储器为一大容量重复擦写式非挥发性存储器储存模组，以储存数字资讯。
9.一种多功能小型存储卡插槽，其特征在于具有4脚位及8脚位的设计，其中4脚位的设计是用于于基本的USB接口，8脚位的设计用于SFMI接口，8脚位的SFMI接口有四个插脚同于USB接口的4脚位，另四个插脚则分布在该USB接口的四脚位之间。
10.根据权利要求9所述的多功能小型存储卡插槽，其特征在于该插槽分为公插槽及母插槽。
专利摘要一种多功能小型存储卡，用于储存数字资讯功能支援其他I/O功能，包含一存储卡I/O功能模组提供储存数字资讯功能；一存储器提供储存数字资讯功能，及一主控制器是连接于该存储卡I/O功能模组及该存储器之间；该多功能小型存储卡同时具有4脚位及8脚位的设计；4脚位的设计是用于基本的USB接口；8脚位的设计称为SFMI接口，由4－bit双向指令/资料/状态总线、时脉同步信号、系统接口及存储卡插置侦测信号，以及电源与接地所组成，其中电源与接地，同于USB接口中的电源与接地接脚。
文档编号G06K19/07GK2590061SQ0225258
公开日2003年12月3日 申请日期2002年9月10日 优先权日2002年9月10日
发明者陈加立, 谢祥安 申请人:万国电脑股份有限公司