35. SD卡—读写测试¶
本章参考资料：《STM32F10X-中文参考手册》、 《STM32F103增强型系列数据手册》以及SD简易规格文件《Physical Layer Simplified Specification V2.0》(版本号：2.00)。
阅读本章内容之前，建议先阅读SD简易规格文件。
35.1. SD卡简介¶
SD卡(Secure Digital Memory Card)在我们生活中已经非常普遍了， 控制器对SD卡进行读写通信操作一般有两种通信接口可选，一种是SPI接口，另外一种是SDIO接口。
SDIO全称是安全数字输入/输出接口，多媒体卡(MMC)、SD卡、SD I/O卡（专指使用SDIO接口的一些输入输出设备）都可使用SDIO接口通讯。 STM32F10x系列控制器有一个SDIO主机接口，它支持与上述使用SDIO接口的设备进行数据传输。
SD卡协会网站www.sdcard.org中提供了SD存储卡和SDIO卡系统规范。
随着科技发展，SD卡容量需求越来越大，SD卡发展到现在也是有几个版本的，关于SDIO接口的设备整体概括见图 SDIO接口的设备。
关于SD卡和SD I/O部分内容可以在SD协会网站获取到详细的介绍，比如各种SD卡尺寸规则、读写速度标示方法、应用扩展等等信息。 目前SD协议提供的SD卡规范版本最新是4.01版本，但STM32F10x系列控制器只支持SD卡规范版本2.0，即只支持标准容量SD和高容量SDHC标准卡， 不支持超大容量SDXC标准卡，所以可以支持的最高卡容量是32GB。
本章内容仅针对SD卡使用讲解，考虑到本开发板STM32芯片的硬件资源比较紧张，所以我们采用了SPI协议驱动SD卡的方案， 相对于使用SDIO驱动SD卡的方式节省了一些引脚资源，控制程序也较为简单，代价是传输速度不如使用SDIO接口的快（SDIO同步时钟频率较高， 且有较多的数据线）。若对SDIO驱动SD卡的方式感兴趣，可以参考我们F103指南者、F103霸道等开发板的教程。
35.2. SD卡物理结构¶
一张SD卡包括有存储单元、存储单元接口、电源检测、卡及接口控制器和接口驱动器5个部分， 见图 SD卡物理结构。存储单元是存储数据部件， 存储单元通过存储单元接口与卡控制单元进行数据传输；电源检测单元保证SD卡工作在合适的电压下，如出现掉电或上状态时， 它会使控制单元和存储单元接口复位；卡及接口控制单元控制SD卡的运行状态，它包括有8个寄存器；接口驱动器控制SD卡引脚的输入输出。
35.2.1. SD卡的引脚及连接¶
SD卡使用9-pin的接口，其中3根电源线、1根时钟线、1根命令线和4根数据线，具体说明如下：
CLK：同步时钟线，由SDIO主机产生，即由STM32控制器输出；使用SPI模式时，该引脚与SPI总线的SCK时钟信号相连；
CMD：命令控制线，SDIO主机通过该线发送命令控制SD卡，如果命令要求SD卡提供应答(响应)，SD卡也是通过该线传输应答信息； 使用SPI模式时，该引脚与SPI总线的MOSI信号相连，SPI主机通过它向SD卡发送命令及数据，但因为SPI总线的MOSI仅用于主机向从机输出信号，所以SD卡 返回应答信息时不使用该信号线；
D0-3：在SDIO模式下，它们均为数据线，传输读写数据，SD卡可将D0拉低表示忙状态；在SPI模式下，D0与SPI总线的MISO信号相连， SD卡通过该信号线向主机发送数据或响应，D3与总线的CS信号相连，SPI主机通过该信号线选择要通讯的SD卡。
VDD、VSS1、VSS2：电源和地信号，其中Micro SD卡不包含VSS2信号，即Micro SD卡仅有8根线。
SD卡与主机的信号连接见图 SD卡与SDIO及SPI总线的连接 ，SDIO总线与多张SD卡连接时， 可以共用CLK信号线，其它的如CMD、D0~D3信号线是每张SD卡独立的。对于STM32系列芯片来说，它的SDIO外设仅支持连接一个SDIO设备，即不可以同时连接2张或以上的SD卡
SD卡一般都支持SDIO和SPI这两种接口。另外，STM32F42x系列控制器的SDIO是不支持SPI通信模式的，如果需要用到SPI通信只能使用SPI外设。
SD卡总线拓扑参考图 SD卡与SDIO及SPI总线的连接。虽然可以共用总线， 但不推荐多卡槽共用总线信号，要求一个单独SD总线应该连接一个单独的SD卡。
35.2.2. SD卡的寄存器¶
SD卡总共有8个寄存器，用于设定或表示SD卡信息，参考表 SD卡寄存器。 这些寄存器只能通过对应的命令访问，对SD卡进行控制操作并不是像操作控制器GPIO相关寄存器那样一次读写一个寄存器， 它是通过命令来控制的，SD卡定义了64个命令（部分命令不支持SPI模式），每个命令都有特殊意义，可以实现某一特定功能， SD卡接收到命令后，根据命令要求对SD卡内部寄存器进行修改，程序控制中只需要发送组合命令就可以实现SD卡的控制以及读写操作。
每个寄存器位的含义可以参考SD简易规格文件《Physical Layer Simplified Specification V2.0》第5章内容。
35.3. SD卡命令控制说明¶
35.3.1. 控制时序¶
与SD卡的通信是基于命令和数据传输的。通讯由一个起始位(“0”)，由一个停止位(“1”)终止。SD通信一般是主机发送一个命令(Command)， 从设备在接收到命令后作出响应(Response)，如有需要会有数据(Data)传输参与。
SD卡的基本交互是命令与响应交互，见图 命令与响应交互 ，图中的DataIn和DataOut线分别是SPI的MISO及MOSI信号。
SD数据是以块(Block)形式传输的，SDHC卡数据块长度一般为512字节，数据可以从主机到卡， 也可以是从卡到主机。数据块需要CRC位来保证数据传输成功，CRC位由SD卡系统硬件生成。 单个数据块的读写时序见图 单块读操作 及图 单块写操作。
读写操作都是由主机发起的，主机发送不同的命令表示读或写，SD卡接收到命令后先针对命令返回响应。在读操作中， SD卡返回一个数据块，数据块中包含CRC校验码；在写操作中，主机接收到命令响应后需要先发送一个标志（TOKEN）然后紧跟一个要写入的数据块， 卡接收完数据块后回反回一个数据响应及忙碌标志，当SD卡把接收到的数据写入到内部存储单元完成后，会停止发送忙碌标志，主机确认SD卡空闲后，可以发送下一个命令。
SD数据传输支持单块和多块读写，它们分别对应不同的操作命令，结束多块读写时需要使用命令来停止操作。
35.3.2. 命令¶
SD命令由主机发出，以广播命令和寻址命令为例，广播命令是针对与SD主机总线连接的所有从设备发送的，寻址命令是指定某个地址设备进行命令传输。
35.3.2.1. 命令格式¶
SD命令由主机发出，命令格式固定为48bit，都是通过CMD线连续传输的（数据线不参与），见图 SD命令格式。
SD命令的组成如下：
起始位和终止位：命令的主体包含在起始位与终止位之间，它们都只包含一个数据位，起始位为0，终止位为1。
传输标志：用于区分传输方向，该位为1时表示命令，方向为主机传输到SD卡，该位为0时表示响应，方向为SD卡传输到主机。
命令主体内容包括命令、地址信息/参数和CRC校验三个部分。
命令号：它固定占用6bit，所以总共有64个命令(代号：CMD0~CMD63)，每个命令都有特定的用途， 部分命令不适用于SPI总线，或不适用于SD卡操作，只是专门用于MMC卡或者SD I/O卡。
地址/参数：每个命令有32bit地址信息/参数用于命令附加内容，例如，广播命令没有地址信息，这32bit用于指定参数， 而寻址命令这32bit用于指定目标SD卡的地址，当使用SDIO驱动多张SD卡时，通过地址信息区分控制不同的卡，使用SPI总线驱动时， 通过片选引脚来选择不同的卡，所以使用这些命令时地址可填充任意值。
CRC7校验：长度为7bit的校验位用于验证命令传输内容正确性，如果发生外部干扰导致传输数据个别位状态改变将导致校准失败， 也意味着命令传输失败，SD卡不执行命令。使用SDIO驱动时，命令中必须包含正确的CRC7校验值；而使用SPI驱动时， 命令中的CRC7校验默认是关闭的，即这CRC7校验位中可以写入任意值而不影响通讯，仅在发送CMD0命令时需要强制带标准的CRC7校验。
35.3.3. 响应¶
当SD卡接收到命令时，它会向主机发出相应的命令，不同的命令有不同的响应类型， 具体如前面表 SD部分命令描述 响应类型一列的说明， 这些响应多用于反馈SD卡的状态。SDIO协议一共有7个响应类型(代号：R1~R7)，其中SD卡没有R4、R5类型响应。
特定的命令对应有特定的响应类型，比如当主机发送CMD9命令时，可以得到响应R2，使用SPI驱动时，响应通过MOSI信号线传输给主机。
以图 R1响应类型说明 中表示的R1响应为例， SD卡接收到大部分命令后它都是返回这个类型的响应，用于指示工作状态，它是一个长度为1字节的响应， 最高位固定为0，当其余位为1时，说明处于该位表示的状态中，主机根据该响应获得SD卡的反馈，然后处理。
各个位的说明如下：
in idle state：当该位为1时，表示SD卡处于空闲状态；
erase reset：因为接收到无需擦除操作的命令，擦除操作被复位；
illegal command：接收到一个无效的命令代码 ；
com crc error：接收到的上一个命令的CRC校验错误；
erase sequence error：擦除命令的控制顺序错误；
address error：读写的数据地址不对齐（数据地址需要按块大小对齐）；
parameter error：命令的参数错误；
关于其它的响应类型可以查看《Simplified_Physical_Layer_Spec》文档的说明。
35.3.4. Token¶
使用SPI驱动SD卡时，需要使用一种名为Token的单字节标志对数据传输流程进行控制。
35.3.4.1. 数据响应Token¶
主机向SD卡写入数据时，每发送完一个数据块后，SD卡会返回一个数据响应Token，见前面的图 单块写操作 ， 它的格式如下图 数据响应Token的格式 ，主机可以通过数据响应Token确认是否写入正常。
该Token格式中的Status长度为3个数据位，分别有如下几种含义：
010：数据被接受；
101：因为CRC校验失败，数据被拒绝；
110：因为写入错误，数据被拒绝。
35.4. SD卡的初始化流程及工作模式¶
驱动SD卡的时候，需要按照规定的初始化流程操作来使SD卡进入工作状态，见图 SD卡的上电时序。
图中的VDDmin~VDDmax是指SD卡正常工作的电压范围。主机给SD卡供电后，在SD卡电压爬升过程中， 电压小于VDDmin时SD卡不工作，当电压大于VDDmin后可以开始对SD卡进行初始化。 SD卡是通过命令控制进行初始化的，但主机在上电后向SD卡发送第一条之前，需要先向SD卡发送至少74个时钟信号， 对于SPI的驱动方式，在产生这些时钟信号期间需要保持片选信号CS为高电平。
发送时钟后，就可以向SD卡发送命令进行识别。SD卡的协议标准有多个版本， STM32控制器目前最高支持《Physical Layer Simplified SpecificationV2.0》定义的SD卡， 控制器对SD卡进行数据读写之前需要识别卡的种类：MMC卡、V1.0标准卡、V2.0标准卡、V2.0高容量卡或者不被识别卡， 见图 卡识别流程。因为版本众多，SD卡系统(包括主机和SD卡)定义了两种操作模式：卡识别模式和数据传输模式。 在系统复位后，主机处于卡识别模式，以寻找总线上可用的设备，区分出不同各类的卡； 同时，SD卡也处于卡识别模式，直到被主机识别到，之后SD卡就会进入数据传输模式。
以上的卡识别流程图说明如下：
(1) 流程图省略了SD卡上电后发送至少74个时钟的过程， 经过该过程后SD卡进入到本流程图的初始模式：空闲模式。
(2) 在空闲模式下，把与SD卡相连的CS片选信号拉低，然后发送CMD0命令使SD卡切换至使用SPI通讯模式， 主机得到SD卡的正常响应，表示SD卡切换为SPI模式后，才可以发送后续命令进行初始化；
(3) 发送CMD8命令，若SD卡响应为未知命令，表示它是V1版本的卡； 若SD卡正常响应该命令，表示它是V2版本的卡；
(4) 对于V1版本的卡，继续发送CMD1命令，若正常响应， 则完成卡识别流程，进入数据传输模式；
(5) 对于V2版本的卡，需要继续发送ACMD41命令，用以确认供电电压的支持范围，确认电压支持正常后， 发送CMD58命令以读取OCR寄存器的CCS位，接收SD卡的响应，若CCS=0，则表示该卡为SDSC卡（容量小于等于2GB）， 若CCS=1，则表示该卡为SDHC卡（容量大于2GB）；卡识别完成后，即进入数据传输模式，之后就可以使用读写命令向SD卡读写数据了
35.5. SD卡读写测试实验¶
SD卡广泛用于便携式设备上，比如数码相机、手机、多媒体播放器等。对于嵌入式设备来说是一种重要的存储数据部件。 类似于SPI Flash芯片数据操作，可以直接进行读写，也可以写入文件系统，然后使用文件系统读写函数，使用文件系统操作。 本实验是进行SD卡最底层的数据读写操作，直接使用SPI接口对SD卡进行读写，会损坏SD卡原本内容，导致数据丢失， 实验前请注意备份SD卡的原内容。由于SD卡容量很大，我们平时使用的SD卡都是已经包含有文件系统的，一般不会使用本章的操作方式编写SD卡的应用， 但它是SD卡操作的基础，对于原理学习是非常有必要的，在它的基础上移植文件系统到SD卡的应用将在下一章讲解。
35.5.1. 硬件设计¶
本开发板采用STM32的SPI外设接口驱动SD卡，与SPI驱动外部FLASH类似，其片选信号线CS使用普通的GPIO，采用软件控制， STM32与SD卡卡槽的硬件连接见图 SD卡硬件设计。
35.5.2. 软件设计¶
这里只讲解核心的部分代码，有些变量的设置，头文件的包含等没有全部罗列出来，完整的代码请参考本章配套的工程。 有了相关SD卡驱动相关的知识基础，我们就可以着手开始编写SD卡驱动程序了，根据之前内容，可了解操作的大概流程：
初始化相关GPIO及SPI外设；
配置SD卡进入SPI模式，通过几个命令获取卡的空间大小等信息；
对SD卡进行进行读写的操作。
虽然看起来只有三步，但它们有非常多的细节需要处理。实际上，SD卡是非常常用外设部件，ST公司在其测试板上也有板子SD卡卡槽， 并提供了完整的驱动程序，我们直接参考移植使用即可。类似SDIO、USB这些复杂的外设，它们的通信协议相当庞大，要自行编写完整、 严谨的驱动不是一件轻松的事情，这时我们就可以利用ST官方例程的驱动文件，根据自己硬件移植到自己开发平台即可。
在“初识STM32HAL库”章节我们重点讲解了HAL库的源代码及启动文件和库使用帮助文档这两部分内容，实际上“Utilities”文件夹内容是非常有参考价值的， 该文件夹包含了基于ST官方实验板的驱动文件，比如LCD、SRAM、SD卡、音频解码IC等等底层驱动程序，另外还有第三方软件库， 如emWin图像软件库和FatFs文件系统。虽然，我们的开发平台跟ST官方实验平台硬件设计略有差别，但移植程序方法是完全可行的。 学会移植程序可以减少很多工作量，加快项目进程，更何况ST官方的驱动代码是经过严格验证的。
在“STM32Cube_FW_F4_V1.19.0\Drivers\BSP”文件路径下可以知道SD卡驱动文件。 为简化工程，本章的配置工程把上述文件中与SD卡配置相关的代码都整合到bsp_sdio_sdcard.c和bsp_sdio_sdcard.h文件中， 见图 SD卡驱动文件。另外，还自行编写了sdio_test.c和sdio_test.h文件，这两个文件包含了对SD卡进行读写测试的代码。
35.5.2.1. GPIO初始化和SPI配置¶
本实验使用STM32的SPI外设驱动SD卡，其控制原理与SPI驱动外部FLASH的一样。
SPI引脚相关的宏定义
类似地，工程中首先把引脚号、时钟等硬件相关的配置写入到驱动的头文件，见 代码清单:SD-1。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 | #define SD_SPI SPI1
#define SD_SPI_CLK() __HAL_RCC_SPI1_CLK_ENABLE()
#define SD_SPI_SCK_PIN GPIO_PIN_5
#define SD_SPI_SCK_GPIO_PORT GPIOA
#define SD_SPI_SCK_GPIO_CLK() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define SD_SPI_MISO_PIN GPIO_PIN_6
#define SD_SPI_MISO_GPIO_PORT GPIOA
#define SD_SPI_MISO_GPIO_CLK() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define SD_SPI_MOSI_PIN GPIO_PIN_7
#define SD_SPI_MOSI_GPIO_PORT GPIOA
#define SD_SPI_MOSI_GPIO_CLK() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
#define SD_CS_PIN GPIO_PIN_8
#define SD_CS_GPIO_PORT GPIOA
#define SD_CS_GPIO_CLK() __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE()
//#define SD_DETECT_PIN GPIO_PIN_0
//#define SD_DETECT_GPIO_PORT GPIOE
//#define SD_DETECT_GPIO_CLK() __HAL_RCC_GPIOE_CLK_ENABLE()
|
上述代码定义了使用的硬件SPI号，CLK、MOSI、MISO及CS引脚，其中CS引脚采用软件控制，所以硬件设计时也只是选择了一个普通的GPIO。 代码最后注释掉的SD_DETECT_PIN是用于检测SD卡是否接入到卡槽的，它通过检测该引脚电平的高低来实现判断，不过本开发板硬件设计上并没有连接卡槽的检测引脚， 所以检测引脚相关的代码被注释掉了。实际上不使用该引脚也可以检测SD卡是否接入，例如通过向SD卡发送命令，然后通过检测是否有正确的响应来判断SD卡是否接入正常。
GPIO初始化及SPI模式配置
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 | static void GPIO_Configuration(void)
{
/*定义一个GPIO_InitTypeDef类型的结构体*/
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
SD_SPI_CLK();
SD_SPI_SCK_GPIO_CLK();
// SD_DETECT_GPIO_CLK();
/*选择要控制的GPIO引脚*/
GPIO_InitStruct.Pin = SD_SPI_SCK_PIN;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLUP;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(SD_SPI_SCK_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
GPIO_InitStruct.Pin = SD_SPI_MOSI_PIN;
HAL_GPIO_Init(SD_SPI_SCK_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
GPIO_InitStruct.Pin = SD_SPI_SCK_PIN;
HAL_GPIO_Init(SD_SPI_MOSI_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
GPIO_InitStruct.Pin = SD_CS_PIN;
HAL_GPIO_Init(SD_CS_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
// GPIO_InitStruct.Pin = SD_DETECT_PIN;
// GPIO_InitStruct.Mode =GPIO_MODE_INPUT;
// HAL_GPIO_Init(SD_DETECT_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
SpiHandle.Instance = SPI1;
SpiHandle.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_2;
SpiHandle.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
SpiHandle.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_2EDGE;
SpiHandle.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_HIGH;
SpiHandle.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
SpiHandle.Init.CRCPolynomial = 7;
SpiHandle.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
SpiHandle.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
SpiHandle.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
SpiHandle.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
SpiHandle.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
HAL_SPI_Init(&SpiHandle);
__HAL_SPI_ENABLE(&SpiHandle);
}
|
类似地，本函数按照SPI外设的要求，把CLK、MOSI引脚配置成复用推挽输出，MISO配置成浮空输入， 而软件控制的CS引脚配置为普通推挽输出，以便直接控制其输出高低电平。
在SPI外设模式的配置方面，最重要的是必须按照SD卡协议的要求使用SPI的模式3，即前面 SD卡寄存器 说明中的空闲时SCK时钟为高电平、 采样时刻为偶数边沿的配置，其余的SPI模式配置很好理解，跟SPI驱动FLASH是类似的，其中用于配置CRC校验的配置实际上并没有用到，所以把它配置成任意值都是可以的。
35.5.2.2. 相关类型定义¶
打开bsp_spi_sdcard.h文件可以发现有非常多的枚举类型定义、结构体类型定义以及宏定义，在源文件里将会用到，此处先提前介绍一下。
R1响应及数据响应Token
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 | typedef enum {
/**
* @brief SD 响应及错误标志
*/
SD_RESPONSE_NO_ERROR = (0x00),
SD_IN_IDLE_STATE = (0x01),
SD_ERASE_RESET = (0x02),
SD_ILLEGAL_COMMAND = (0x04),
SD_COM_CRC_ERROR = (0x08),
SD_ERASE_SEQUENCE_ERROR = (0x10),
SD_ADDRESS_ERROR = (0x20),
SD_PARAMETER_ERROR = (0x40),
SD_RESPONSE_FAILURE = (0xFF),
/**
* @brief 数据响应类型
*/
SD_DATA_OK = (0x05),
SD_DATA_CRC_ERROR = (0x0B),
SD_DATA_WRITE_ERROR = (0x0D),
SD_DATA_OTHER_ERROR = (0xFF)
} SD_Error;
|
这个SD_Error枚举类型定义的分成了两部分，第一部分是R1响应类型，见前面图 R1响应类型说明 及其说明， 这些枚举定义正是遵照R1响应的各个位表示的状态，当STM32接收到R1响应时，可以利用这些枚举定义进行比较判断；第二部分是数据响应Token， 见前面图 数据响应Token的格式 及其说明，把数据响应Token的最高3个无关的位设置成0， 然后组合起Status及其余两位的值得到一个字节数字，这正是代码中对应状态枚举定义的数值。
数据块开始和停止的Token
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 | /**
* @brief Start Data tokens:
* Tokens (necessary because at nop/idle (and CS active) only 0xff is
* on the data/command line)
*/
/*!< Data token start byte, 单块读起始Token */
#define SD_START_DATA_SINGLE_BLOCK_READ 0xFE
/*!< Data token start byte, 多块读起始Token */
#define SD_START_DATA_MULTIPLE_BLOCK_READ 0xFE
/*!< Data token start byte, 单块写起始Token */
#define SD_START_DATA_SINGLE_BLOCK_WRITE 0xFE
/*!< Data token start byte, 多块写起始Token */
#define SD_START_DATA_MULTIPLE_BLOCK_WRITE 0xFC
/*!< Data toke stop byte, 多块写停止Token */
#define SD_STOP_DATA_MULTIPLE_BLOCK_WRITE 0xFD
|
这部分代码定义的是前面介绍的数据块开始和停止的Token，对于单块读写及多块的读数据Token均为“0xFE”， 而多块写入的开始Token值为“0xFC”，结束Token值为“0xFD”。
SD控制命令
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 | /**
* @brief Commands: CMDxx = CMD-number | 0x40
*/
#define SD_CMD_GO_IDLE_STATE 0 /*!< CMD0 = 0x40 */
#define SD_CMD_SEND_OP_COND 1 /*!< CMD1 = 0x41 */
#define SD_CMD_SEND_CSD 9 /*!< CMD9 = 0x49 */
#define SD_CMD_SEND_CID 10 /*!< CMD10 = 0x4A */
#define SD_CMD_STOP_TRANSMISSION 12 /*!< CMD12 = 0x4C */
#define SD_CMD_SEND_STATUS 13 /*!< CMD13 = 0x4D */
#define SD_CMD_SET_BLOCKLEN 16 /*!< CMD16 = 0x50 */
#define SD_CMD_READ_SINGLE_BLOCK 17 /*!< CMD17 = 0x51 */
#define SD_CMD_READ_MULT_BLOCK 18 /*!< CMD18 = 0x52 */
#define SD_CMD_SET_BLOCK_COUNT 23 /*!< CMD23 = 0x57 */
#define SD_CMD_WRITE_SINGLE_BLOCK 24 /*!< CMD24 = 0x58 */
#define SD_CMD_WRITE_MULT_BLOCK 25 /*!< CMD25 = 0x59 */
#define SD_CMD_PROG_CSD 27 /*!< CMD27 = 0x5B */
#define SD_CMD_SET_WRITE_PROT 28 /*!< CMD28 = 0x5C */
#define SD_CMD_CLR_WRITE_PROT 29 /*!< CMD29 = 0x5D */
#define SD_CMD_SEND_WRITE_PROT 30 /*!< CMD30 = 0x5E */
#define SD_CMD_SD_ERASE_GRP_START 32 /*!< CMD32 = 0x60 */
#define SD_CMD_SD_ERASE_GRP_END 33 /*!< CMD33 = 0x61 */
#define SD_CMD_UNTAG_SECTOR 34 /*!< CMD34 = 0x62 */
#define SD_CMD_ERASE_GRP_START 35 /*!< CMD35 = 0x63 */
#define SD_CMD_ERASE_GRP_END 36 /*!< CMD36 = 0x64 */
#define SD_CMD_UNTAG_ERASE_GROUP 37 /*!< CMD37 = 0x65 */
#define SD_CMD_ERASE 38 /*!< CMD38 = 0x66 */
#define SD_CMD_READ_OCR 58 /*!< CMD58 */
#define SD_CMD_APP_CMD 55 /*!< CMD55 返回0x01*/
#define SD_ACMD_SD_SEND_OP_COND 41 /*!< ACMD41 返回0x00*/
|
以上代码定义的是驱动代码中使用到的SD命令，SD命令本质上也是一个数值， 控制时由SPI主机通过MOSI信号线发送到SD卡，SD卡接收后解释成该值对应的命令然后执行。
以下请配合前面的说明图 SD命令格式 来理解，根据SD协议，命令号是一个6位的数字， 如CMD0的命令号为0，CMD1的命令号为1，此处宏定义的正是各个命令的命令号， 如宏SD_CMD_GO_IDLE_STATE（宏值为0）是CMD0，宏SD_CMD_SEND_OP_COND（宏值为1）是CMD1命令。
在上述每行宏定义代码注释中的数字比较特别，如“CMD0 = 0x40”，实际上该注释表示的都是命令号与数值0x40运算后的结果， 即作“CMDxx = 命令号 | 0x40”运算，那此处的0x40是什么，为什么注释要这样写呢？这是因为在SPI模式下，数据是一个字节一个字节地发送出去的， 一个完整的SD命令包含起始位、传输标志、命令号、参数、CRC7校验以及终止位，一共是48位即6个字节。而起始位和传输标志分别固定为0和1， 这两位与紧接着的6位命令号刚好组成1个字节，由于SPI是高位先行，所以前面的起始位和传输标志占高2位，即0x40，再跟后面的6位命令号作或运算， 组成1个字节，然后就可以直接通过SPI发送出去了。
CSD、CID及SD卡信息结构体
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 | /**
* @brief Card Specific Data: CSD 寄存器
*/
typedef struct {
__IO uint8_t CSDStruct; /*!< CSD structure */
__IO uint8_t SysSpecVersion; /*!< System specification version */
__IO uint8_t Reserved1; /*!< Reserved */
/*此处省略大量内容,具体请直接查看工程代码...*/
__IO uint8_t FileFormat; /*!< File Format */
__IO uint8_t ECC; /*!< ECC code */
__IO uint8_t CSD_CRC; /*!< CSD CRC */
__IO uint8_t Reserved4; /*!< always 1*/
} SD_CSD;
/**
* @brief Card Identification Data: CID 寄存器
*/
typedef struct {
__IO uint8_t ManufacturerID; /*!< ManufacturerID */
__IO uint16_t OEM_AppliID; /*!< OEM/Application ID */
__IO uint32_t ProdName1; /*!< Product Name part1 */
__IO uint8_t ProdName2; /*!< Product Name part2*/
__IO uint8_t ProdRev; /*!< Product Revision */
__IO uint32_t ProdSN; /*!< Product Serial Number */
__IO uint8_t Reserved1; /*!< Reserved1 */
__IO uint16_t ManufactDate; /*!< Manufacturing Date */
__IO uint8_t CID_CRC; /*!< CID CRC */
__IO uint8_t Reserved2; /*!< always 1 */
} SD_CID;
/**
* @brief SD Card information
*/
typedef struct {
SD_CSD SD_csd;
SD_CID SD_cid;
uint32_t CardCapacity; /*!< Card Capacity */
uint32_t CardBlockSize; /*!< Card Block Size */
} SD_CardInfo;
|
以上代码定义了三个结构体，SD_CSD和SD_CID结构体用于存储从SD卡读取回来的CSD、CID寄存器的内容，根据这些寄存器的内容可以获知SD卡工作电压、 数据块的大小、卡的容量和序列号等信息，关于这两个寄存器的内容可查阅SD协议文档了解，与驱动最相关的信息是卡容量及数据块大小这两个信息， 而这些信息以及SD_CSD、SD_CID的内容又被封装进了SD_CardInfo结构体，驱动程序直接通过SD_CardInfo类型的结构体变量获取这些信息。
SD卡类型及全局变量
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 | /*C文件*/
uint8_t SD_Type = SD_TYPE_NOT_SD; //存储卡的类型
SD_CardInfo SDCardInfo; //用于存储卡的信息
/*H文件*/
//SD卡的类型
#define SD_TYPE_NOT_SD 0 //非SD卡
#define SD_TYPE_V1 1 //V1.0的卡
#define SD_TYPE_V2 2 //SDSC
#define SD_TYPE_V2HC 4 //SDHC
|
这部分代码列出的是c文件里定义的全局SD_Type变量及SDCardInfo变量，在卡识别流程时将会向SD_Type变量赋值为宏定义中的非SD卡、 V1.0卡、V2的SDSC卡以及V2的SDHC卡，便于后续程序驱动时使用。SDCardInfo变量则是前面说明的卡信息结构体的实例变量， 驱动程序可通过该变量获取卡容量、块大小等信息。
35.5.2.3. 发送命令¶
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 | /**
* @brief 发送SD命令
* @param Cmd: 要发送的命令
* @param Arg: 命令参数
* @param Crc: CRC校验码.
* @retval None
*/
void SD_SendCmd(uint8_t Cmd, uint32_t Arg, uint8_t Crc)
{
uint32_t i = 0x00;
uint8_t Frame[6];
Frame[0] = (Cmd | 0x40); /*!< Construct byte 1 */
Frame[1] = (uint8_t)(Arg >> 24); /*!< Construct byte 2 */
Frame[2] = (uint8_t)(Arg >> 16); /*!< Construct byte 3 */
Frame[3] = (uint8_t)(Arg >> 8); /*!< Construct byte 4 */
Frame[4] = (uint8_t)(Arg); /*!< Construct byte 5 */
Frame[5] = (Crc); /*!< Construct CRC: byte 6 */
for (i = 0; i < 6; i++) {
SD_WriteByte(Frame[i]); /*!< Send the Cmd bytes */
}
}
|
这个SD_SendCmd发送命令的函数包含命令号cmd、命令参数Arg以及校验码Crc三个参数，它们组成一个完整的6个字节命令， 在函数的末尾通过一个for循环调用SD_WriteByte函数把这些命令数据发送到SD卡。
组成命令的这6个字节内容说明如下：
Frame[0]：它的值是命令号cmd跟起始位（固定为0）、传输标志（固定为1）的组合，所以其值为“cmd | 0x40”；
Frame[1]~Frame[4]：这是按字节分开存储的命令参数Arg；
Frame[5]：这是7位的Crc校验码与终止位（固定为1）的组合。
因为在SPI模式下仅CMD0命令需要校验CRC，其余命令均忽略，所以在整个工程中并没有编写计算CRC校验码的函数，每次发送命令时手动填写CRC校验码的值。 例如，发送CMD0命令时，由于它不包含参数，所以它的6个字节命令编码为“0x40,0x00,0x00,0x00,0x00,0x95”， 调用这个SD_SendCmd函数的示例是 “SD_SendCmd(SD_CMD_GO_IDLE_STATE, 0, 0x95)”， 其中SD_CMD_GO_IDLE_STATE是CMD0命令的宏， 即命令号，0是命令的参数，而0x95就是该命令的7位CRC校验加上最后一位终止位的结果。另外， 发送读取单个数据块的命令时的例子如“ SD_SendCmd(SD_CMD_READ_SINGLE_BLOCK, ReadAddr, 0xFF)”， 语句中的SD_CMD_READ_SINGLE_BLOCK是读取单个数据块的命令号CMD17，ReadAddr是将要读取的数据块的起始地址，该地址的单位是块（即512字节）， 它将作为命令参数被发送出去，0xFF则是CRC加上最后一位终止位的结果，由于这个命令不需要检查CRC， 所以实际上这个参数的前7位即CRC可以是任意值，只要它的终止位为1即可，0xFF即可达到该要求。
35.5.2.4. 接收响应¶
本工程中只应用到了响应类型为R1的SD命令，处理R1响应的函数见 代码清单:SD-9。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 | /**
* @brief 获取SD卡的的响应
* @param 要检查的响应类型
* @retval SD响应:
* - SD_RESPONSE_FAILURE: 失败
* - SD_RESPONSE_NO_ERROR: 成功
*/
SD_Error SD_GetResponse(uint8_t Response)
{
uint32_t Count = 0xFFF;
/*!< 检查是否接收到 response 表示的响应 */
while ((SD_ReadByte() != Response) && Count) {
Count--;
}
if (Count == 0) {
/*!< 检查超时 */
return SD_RESPONSE_FAILURE;
} else {
/*!< 得到response表示的响应 */
return SD_RESPONSE_NO_ERROR;
}
}
|
这个SD_GetResponse函数接收一个输入参数Response，该参数将用于与SD_ReadByte函数接收到的响应进行比较， 若响应与参数相等，则返回成功SD_RESPONSE_NO_ERROR，否则返回失败。
在应用SD_GetResponse函数时，这个Response参数可以直接输入 代码清单:SD-4 中枚举类型SD_Error定义的R1枚举值， 如SD_GetResponse(SD_IN_IDLE_STATE)可检测响应是否表示SD卡处于空闲状态。
当向SD卡写入数据时，SD卡会返回数据响应，其相应的处理见 代码清单:SD-10。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 | /**
* @brief 获取SD卡的数据响应.
* @param None
* @retval 返回响应状态 status: 读取到的数据响应 xxx0<status>1
* - status 010: 接受数据
* - status 101: CRC校验错误，拒绝数据
* - status 110: 写入错误，拒绝数据
* - status 111: 其它错误，拒绝数据
*/
uint8_t SD_GetDataResponse(void)
{
uint32_t i = 0;
uint8_t response, rvalue;
while (i <= 64) {
/*!< 读取响应 */
response = SD_ReadByte();
/*!< 屏蔽无关的数据位（前三位xxx） */
response &= 0x1F;
switch (response) {
case SD_DATA_OK: {
rvalue = SD_DATA_OK;
break;
}
case SD_DATA_CRC_ERROR:
return SD_DATA_CRC_ERROR;
case SD_DATA_WRITE_ERROR:
return SD_DATA_WRITE_ERROR;
default: {
rvalue = SD_DATA_OTHER_ERROR;
break;
}
}
/*!< 数据正常，退出循环 */
if (rvalue == SD_DATA_OK)
break;
/*!< Increment loop counter */
i++;
}
/*!< 等待空数据 */
while (SD_ReadByte() == 0);
/*!< 返回响应 */
return response;
}
|
这个处理数据响应的函数SD_GetDataResponse与R1响应的处理类似，它循环调用SD_ReadByte读取SD返回的响应， 把接收到的响应与 代码清单:SD-5 定义的数据响应枚举类型SD_DATA_OK、 SD_DATA_CRC_ERROR及SD_DATA_WRITE_ERROR进行比较， 直到检测到SD_DATA_OK（即响应正常）或检测超时才退出，最后把检测结果以函数返回值返回。
35.5.2.5. SD卡初始化¶
SD卡初始化过程主要是切换SD卡至SPI模式以及完成卡的上电识别流程， 即前面的图 卡识别流程，请结合图来理解下面的代码。
SD卡初始化函数
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 | /*bsp_spi_sdcard.h文件*/
// 片选信号CS输出低电平
#define SD_CS_LOW() GPIO_ResetBits(SD_CS_GPIO_PORT, SD_CS_PIN)
// 片选信号CS输出高电平
#define SD_CS_HIGH() GPIO_SetBits(SD_CS_GPIO_PORT, SD_CS_PIN)
//空 字节数据
#define SD_DUMMY_BYTE 0xFF
/*bsp_spi_sdcard.c文件*/
/**
* @brief 初始化 SD/SD 卡
* @param None
* @retval SD 响应:
* - SD_RESPONSE_FAILURE: 初始化失败
* - SD_RESPONSE_NO_ERROR: 初始化成功
*/
SD_Error SD_Init(void)
{
uint32_t i = 0;
/*!< 初始化 SD_SPI */
GPIO_Configuration();
/*!< CS高电平 */
SD_CS_HIGH();
/*!< CS高电平期间，发送 空 字节数据 0xFF, 10 次 */
/*!< Rise CS and MOSI for 80 clocks cycles */
for (i = 0; i <= 9; i++) {
/*!< 发送 空 字节数据 0xFF */
SD_WriteByte(SD_DUMMY_BYTE);
}
if (SD_GoIdleState() == SD_RESPONSE_FAILURE)
return SD_RESPONSE_FAILURE;
//获取卡的类型,最多尝试10次
i=10;
do
{
SD_GetCardType();
} while (SD_Type == SD_TYPE_NOT_SD || i-- > 0);
//不支持的卡
if (SD_Type == SD_TYPE_NOT_SD)
return SD_RESPONSE_FAILURE;
return SD_GetCardInfo(&SDCardInfo);
}
|
该函数的执行流程如下：
(1) 调用前面定义的GPIO_Configuration函数初始化GPIO及SPI的工作模式；
(2) 控制片选信号引脚， 使之持续输出高电平；
(3) 使用for循环调用前面定义的SD_WriteByte函数发送10次SD_DUMMY_BYTE，这个发送过程产生80个时钟信号， 完成了SD卡初始化产生至少74个时钟的要求，注意此处的SD_DUMMY_BYTE必须为0xFF，不能为其它值；
(4) 程序后面调用的SD_GoIdleState、SD_GetCardType及SD_GetCardInfo内部细节稍后详解， 此处仅说明它们的功能；
(5) 调用SD_GoIdleState函数使SD卡进入空闲模式以及使之切换到SPI通讯方式， 并返回该函数的执行结果；
(6) 在do-while循环里调用SD_GetCardType函数最多10次，该函数主要功能为识别SD卡的类型， 区分出是否SD卡、V1.0卡，V2.0的SDSC卡以及V2.0的SDHC卡，识别的结果存储在全局变量SD_Type中；
(7) 若识别结果为后三种可支持的卡类型， 使用return的形式调用SD_GetCardInfo函数读取SD卡的CSD、CID寄存器，并计算SD卡的容量和数据块大小。
进入空闲及SPI模式（SD_GoIdleState函数）
下面讲解初始化过程调用的SD_GoIdleState函数实现，见 代码清单:SD-12。
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* @brief 让SD卡进入空闲模式.
* @param None
* @retval SD卡响应:
* - SD_RESPONSE_FAILURE: 失败
* - SD_RESPONSE_NO_ERROR: 成功
*/
SD_Error SD_GoIdleState(void)
{
/*!< 片选CS低电平 */
SD_CS_LOW();
/*!< 发送 CMD0 (SD_CMD_GO_IDLE_STATE) 让SD卡切换至SPI模式 */
SD_SendCmd(SD_CMD_GO_IDLE_STATE, 0, 0x95);
/*!< 等待R1响应返回的状态为SD_IN_IDLE_STATE */
if (SD_GetResponse(SD_IN_IDLE_STATE)) {
/*!< 响应不是空闲状态，失败返回 */
return SD_RESPONSE_FAILURE;
}
/*!< 片选CS高电平 */
SD_CS_HIGH();
/*!< 发送 空 字节 0xFF */
SD_WriteByte(SD_DUMMY_BYTE);
/*初始化成功返回*/
return SD_RESPONSE_NO_ERROR;
}
|
SD_GoIdleState函数执行流程如下：
(1) 拉低CS片选引脚，调用SD_SendCmd发送CMD0命令（SD_CMD_GO_IDLE_STATE）， SD卡接收到这样的控制后，会切换成使用SPI模式， 注意由于CMD0命令是SDIO及SPI驱动共用的命令，且此时并未进入SPI模式，默认还是需要CRC校验码的，因为发送命令时以0x95作为CRC校验码；
(2) 调用SD_GetResponse函数检测SD卡是否返回SD_IN_IDLE_STATE已进入空闲状态的响应， 若检测不到该响应则初始化失败返回；
(3) 在函数结束返回前，调用了函数SD_WriteByte发送空字节SD_DUMMY_BYTE，在这里仅起到延时的作用， 没有什么特别的意义，后面将会经常有这样的操作，不再赘述。
获取SD卡的类型（SD_GetCardType函数）
SD卡成功进入空闲及SPI模式后，可以开始卡识别的核心流程，见 代码清单:SD-13。
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* @brief 获取SD卡的版本类型，并区分SDSC和SDHC
* @param 无
* @retval SD响应:
* - SD_RESPONSE_FAILURE: 失败
* - SD_RESPONSE_NO_ERROR: 成功
*/
SD_Error SD_GetCardType(void)
{
uint32_t i = 0;
uint32_t Count = 0xFFF;
uint8_t R7R3_Resp[4];
uint8_t R1_Resp;
SD_CS_HIGH();
/*!< 发送空字节延时 0xFF */
SD_WriteByte(SD_DUMMY_BYTE);
/*!< 片选信号CS低电平 */
SD_CS_LOW();
/*!< 发送 CMD8 命令，带0x1AA检查参数*/
SD_SendCmd(SD_CMD_SEND_IF_COND, 0x1AA, 0xFF);
/*!< 等待R1响应 */
while (( (R1_Resp = SD_ReadByte()) == 0xFF) && Count) {
Count--;
}
if (Count == 0) {
/*!< 等待超时 */
return SD_RESPONSE_FAILURE;
}
//响应 = 0x05 非V2.0的卡
if (R1_Resp == (SD_IN_IDLE_STATE|SD_ILLEGAL_COMMAND)) {
/* 激活SD卡 */
do {
/*!< 片选信号CS高电平 */
SD_CS_HIGH();
/*!< 发送空字节延时 0xFF */
SD_WriteByte(SD_DUMMY_BYTE);
/*!< 片选信号CS低电平 */
SD_CS_LOW();
/*!< 发送CMD1完成V1 版本卡的初始化 */
SD_SendCmd(SD_CMD_SEND_OP_COND, 0, 0xFF);
/*!< Wait for no error Response (R1 Format) equal to 0x00 */
} while (SD_GetResponse(SD_RESPONSE_NO_ERROR));
//V1版本的卡完成初始化
SD_Type = SD_TYPE_V1;
//不处理MMC卡
//初始化正常
}
//响应 0x01 V2.0的卡
else if (R1_Resp == SD_IN_IDLE_STATE) {
/*!< 读取CMD8 的R7响应 */
for (i = 0; i < 4; i++) {
R7R3_Resp[i] = SD_ReadByte();
}
/*!< 片选信号CS高电平 */
SD_CS_HIGH();
/*!< 发送空字节延时 0xFF */
SD_WriteByte(SD_DUMMY_BYTE);
/*!< 片选信号CS低电平 */
SD_CS_LOW();
//判断该卡是否支持2.7-3.6V电压
if (R7R3_Resp[2]==0x01 && R7R3_Resp[3]==0xAA) {
//支持电压范围，可以操作
Count = 200;
//发卡初始化指令CMD55+ACMD41
do {
//CMD55，以强调下面的是ACMD命令
SD_SendCmd(SD_CMD_APP_CMD, 0, 0xFF);
// SD_IN_IDLE_STATE
if (!SD_GetResponse(SD_RESPONSE_NO_ERROR))
return SD_RESPONSE_FAILURE; //超时返回
//ACMD41命令带HCS检查位
SD_SendCmd(SD_ACMD_SD_SEND_OP_COND, 0x40000000, 0xFF);
if (Count-- == 0)
return SD_RESPONSE_FAILURE; //重试次数超时
} while (SD_GetResponse(SD_RESPONSE_NO_ERROR));
//初始化指令完成，读取OCR信息，CMD58
//-----------鉴别SDSC SDHC卡类型开始-----------
Count = 200;
do {
/*!< 片选信号CS高电平 */
SD_CS_HIGH();
/*!< 发送空字节延时 0xFF */
SD_WriteByte(SD_DUMMY_BYTE);
/*!< 片选信号CS低电平 */
SD_CS_LOW();
/*!< 发送CMD58 读取OCR寄存器 */
SD_SendCmd(SD_CMD_READ_OCR, 0, 0xFF);
} while ( SD_GetResponse(SD_RESPONSE_NO_ERROR) || Count-- == 0);
if (Count == 0)
return SD_RESPONSE_FAILURE; //重试次数超时
//响应正常，读取R3响应
/*!< 读取CMD58的R3响应 */
for (i = 0; i < 4; i++) {
R7R3_Resp[i] = SD_ReadByte();
}
//检查接收到OCR中的bit30(CCS)
//CCS = 0:SDSC CCS = 1:SDHC
if (R7R3_Resp[0]&0x40) { //检查CCS标志
SD_Type = SD_TYPE_V2HC;
} else {
SD_Type = SD_TYPE_V2;
}
//-----------鉴别SDSC SDHC版本卡的流程结束-----------
}
}
/*!< 片选信号CS高电平 */
SD_CS_HIGH();
/*!< 发送空字节延时 0xFF */
SD_WriteByte(SD_DUMMY_BYTE);
//初始化正常返回
return SD_RESPONSE_NO_ERROR;
}
|
这个函数比较长，但它实际是完全按照图 卡识别流程 走的，说明如下：
(1) 发送CMD8命令，并检测其响应，根据它的响应为0x05和0x01分成V1.0版本的卡和V2.0版本的卡两个分支， 其中0x05实质是卡空闲状态与无法识别该命令的响应代码，0x01则是卡空闲状态的响应代码；
(2) 无法识别CMD8命令的SD卡，即响应为0x05，初始化过程什么简单，在该分支，主机向SD卡继续发送CMD1命令， 若接收到正常响应，则初始化成功，全局变量SD_Type被赋予宏SD_TYPE_V1，表示它被检测成V1.0版本的SD卡；
(3) 在正常响应CMD8命令的分支，首先需要继续SD卡返回的CMD8后续响应信息，这是长度为4个字节的R7响应， 代码中把它存储在R7R3_Resp变量并判断其表示的支持电压范围是否正常，若正常继续后面的流程，否则直接退出函数且SD_Type保持默认值SD_TYPE_NOT_SD，表示非SD卡；
(4) 接着代码中发送ACMD41命令确认SD卡供电电压窗口，按照SD协议，需要发送多次该命令直至得到正常响应， 其中ACMD命令是特殊命令，所以在发送它前还发送了表示特殊命令的CMD55；
(5) 发送CMD58命令以读取OCR寄存器的内容， 通过判断OCR寄存器中的CCS位来区分SDSC卡和SDHC卡，最终判断结果存储在变量SD_Type中。
总之，经过这个函数处理后，完成了SD卡的识别流程，SD_Type变量中存储了SD卡的类型。
获取SD卡信息
初始化SD卡后，可以通过读取其CSD及CID寄存器获取信息，见 代码清单:SD-14。
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* @brief 读取卡的CSD寄存器
* 在SPI模式下，读取CSD的方式与读取数据块类似
* @param SD_csd: 存储CSD寄存器的SD_CSD结构体指针
* @retval SD响应:
* - SD_RESPONSE_FAILURE: 失败
* - SD_RESPONSE_NO_ERROR: 成功
*/
SD_Error SD_GetCSDRegister(SD_CSD* SD_csd)
{
uint32_t i = 0;
SD_Error rvalue = SD_RESPONSE_FAILURE;
uint8_t CSD_Tab[16];
/*!< 片选信号CS低电平*/
SD_CS_LOW();
/*!< 发送 CMD9 (CSD register) 或 CMD10(CID register)命令 */
SD_SendCmd(SD_CMD_SEND_CSD, 0, 0xFF);
/*!< 等待 R1 响应 (0x00 is no errors) */
if (!SD_GetResponse(SD_RESPONSE_NO_ERROR)) {
//等待数据块Token
if (!SD_GetResponse(SD_START_DATA_SINGLE_BLOCK_READ)) {
for (i = 0; i < 16; i++) {
/*!< 存储 CSD 寄存器的值到 CSD_Tab */
CSD_Tab[i] = SD_ReadByte();
}
}
/*!< 读取 CRC 校验字节 (此处不校验，但SD卡有该流程，需要接收) */
SD_WriteByte(SD_DUMMY_BYTE);
SD_WriteByte(SD_DUMMY_BYTE);
/*!< 设置返回值，表示成功接收到寄存器数据 */
rvalue = SD_RESPONSE_NO_ERROR;
}
/*!< 片选信号CS高电平*/
SD_CS_HIGH();
/*!< 发送 dummy 空字节: 8 时钟周期的延时 */
SD_WriteByte(SD_DUMMY_BYTE);
/*!< 字节 0 处理*/
SD_csd->CSDStruct = (CSD_Tab[0] & 0xC0) >> 6;
SD_csd->SysSpecVersion = (CSD_Tab[0] & 0x3C) >> 2;
SD_csd->Reserved1 = CSD_Tab[0] & 0x03;
/*!< 字节 1 处理*/
SD_csd->TAAC = CSD_Tab[1];
/*!< 字节 2 处理*/
SD_csd->NSAC = CSD_Tab[2];
/*!< 以下省略3~15字节的处理......*/
/*!< 返回接收状态 */
return rvalue;
}
|
这个函数SD_GetCSDRegister的主要流程如下：
(1) 拉低片选信号，调用SD_SendCmd向SD卡发送CMD9命令，SD卡接收到该命令后，将会返回一个字节的R1响应、 一个字节的单块数据读取Token、16个字节的CSD寄存器内容、2个字节的CRC校验码；
(2) 调用SD_GetResponse等待SD卡的R1响应；
(3) 接收到R1响应后，再调用SD_GetResponse检查SD卡是否返回单块数据读取的Token， 该宏SD_START_DATA_SINGLE_BLOCK_READ表示的Token值为0xFE；
(4) 接收到Token， 使用for循环调用SD_ReadByte函数接收长度为16个字节的CSD寄存器的值；
(5) 在16个字节的CSD寄存器内容之后，SD卡还返回2个字节的CRC校验码， 此处不进行校验，但还是要让SD卡完成发送流程，所以调用SD_WriteByte函数2次以产生时钟驱动SD卡输出校验码；
(6) 接收完寄存器的内容后，SD_GetCSDRegister函数根据CSD寄存器的定义， 把内容整理至SD_CSD结构体中，方便在其它程序直接通过该结构体访问特定的CSD信息。
在本工程中，还有一个SD_GetCIDRegister函数用于读取CID寄存器的值，该函数的处理过程与这个SD_GetCSDRegister函数类似， 区别仅为发送的命令不同（读取CID时发送CMD10）以及接收到的内容根据CID寄存器的定义整理到SD_CID结构体中，本教程不再详细讲解。
为了方便使用，程序里还把SD_GetCSDRegister、SD_GetCIDRegister函数封装到 SD_GetCardInfo函数中， 并根据读取得的CSD信息计算出卡的容量与数据块大小，见 代码清单:SD-15。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 | /**
* @brief 获取SD卡的信息.
* @param SD_CardInfo 结构体指针
* @retval SD响应:
* - SD_RESPONSE_FAILURE: 失败
* - SD_RESPONSE_NO_ERROR: 成功
*/
SD_Error SD_GetCardInfo(SD_CardInfo *cardinfo)
{
SD_Error status = SD_RESPONSE_FAILURE;
//读取CSD寄存器
status = SD_GetCSDRegister(&(cardinfo->SD_csd));
//读取CID寄存器
status = SD_GetCIDRegister(&(cardinfo->SD_cid));
if ((SD_Type == SD_TYPE_V1) || (SD_Type == SD_TYPE_V2)) {
//块数目基数： CSize + 1
cardinfo->CardCapacity = (cardinfo->SD_csd.DeviceSize + 1) ;
//块数目 = 块数目基数*块数目乘数。块数目乘数： 2的 (C_SIZE_MULT + 2)次方
cardinfo->CardCapacity *= (1 << (cardinfo->SD_csd.DeviceSizeMul + 2));
// 块大小：2的READ_BL_LEN 次方
cardinfo->CardBlockSize = 1 << (cardinfo->SD_csd.RdBlockLen);
//卡容量 = 块数目*块大小
cardinfo->CardCapacity *= cardinfo->CardBlockSize;
} else if (SD_Type == SD_TYPE_V2HC) { //SDHC卡
cardinfo->CardCapacity = (uint64_t)(cardinfo->SD_csd.DeviceSize + 1) * 512 * 1024;
cardinfo->CardBlockSize = 512;
}
/*!< 返回SD响应 */
return status;
}
|
这个函数调用了SD_GetCSDRegister和 SD_GetCIDRegister读取了CSD及CID寄存器的内容， 然后利用CSD寄存器相关的域计算出块大小CardBlockSize和容量CardCapacity。
在计算SD卡块大小和容量的处理中，代码根据SD卡的类型分成了两个分支，其基本计算公式为：SD卡容量 = BLOCKNR * BLOCK_LEN， 其中BLOCKNR为含有的数据块数目，BLOCK_LEN为数据块长度，计算得到的SD卡容量单位为字节。
对于V1.0或SDSC卡的具体计算公式，比较复杂，其说明如下：
BLOCKNR = (C_SIZE+1) * MULT
MULT = 2C_SIZE_MULT+2
BLOCK_LEN = 2READ_BL_LEN
其中：
C_SIZE即代码中的SD_csd.DeviceSize；
C_SIZE_MULT即代码中的SD_csd.DeviceSizeMul；
READ_BL_LEN即代码中的SD_csd.RdBlockLen；
对于SDHC卡则简单得多：
SD卡容量 = (C_SIZE+1) * 512KByte
C_SIZE即代码中的SD_csd.DeviceSize；
35.5.2.6. SD卡数据操作¶
SD卡数据操作一般包括数据读取、数据写入以及存储区擦除，数据读取和写入都可以分为单块操作和多块操作， 由于应用中很少用到擦除操作，本工程仅实现了读写功能。
数据读取操作
读取数据操作与读取CSD寄存器时类似，见 代码清单:SD-16。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 | /**
* @brief 从SD卡读取一个数据块
* @param pBuffer: 指针，用于存储读取到的数据
* @param ReadAddr: 要读取的SD卡内部地址
* @param BlockSize: 块大小
* @retval SD响应:
* - SD_RESPONSE_FAILURE: 失败
* - SD_RESPONSE_NO_ERROR: 成功
*/
SD_Error SD_ReadBlock(uint8_t* pBuffer, uint64_t ReadAddr, uint16_t BlockSize)
{
uint32_t i = 0;
SD_Error rvalue = SD_RESPONSE_FAILURE;
//SDHC卡块大小固定为512，且读命令中的地址的单位是sector
if (SD_Type == SD_TYPE_V2HC) {
BlockSize = 512;
ReadAddr /= 512;
}
/*!< 片选CS低电平*/
SD_CS_LOW();
/*!< 发送 CMD17 (SD_CMD_READ_SINGLE_BLOCK) 以读取一个数据块 */
SD_SendCmd(SD_CMD_READ_SINGLE_BLOCK, ReadAddr, 0xFF);
/*!< 检查R1响应 */
if (!SD_GetResponse(SD_RESPONSE_NO_ERROR)) {
/*!< 检查读取单个数据块的Token */
if (!SD_GetResponse(SD_START_DATA_SINGLE_BLOCK_READ)) {
/*!< 读取一个数据块的数据 : NumByteToRead 个数据 */
for (i = 0; i < BlockSize; i++) {
/*!< 接收一个字节到pBuffer */
*pBuffer = SD_ReadByte();
/*!< 指针加1*/
pBuffer++;
}
/*!< 读取 CRC 校验字节 (此处不校验，但SD卡有该流程，需要接收) */
SD_ReadByte();
SD_ReadByte();
/*!< 设置返回值，表示成功接收到寄存器数据*/
rvalue = SD_RESPONSE_NO_ERROR;
}
}
/*!< 片选信号CS高电平 */
SD_CS_HIGH();
/*!< 发送 dummy 空字节: 8 时钟周期的延时 */
SD_WriteByte(SD_DUMMY_BYTE);
/*!< 返回接收状态 */
return rvalue;
}
|
数据读取操作SD_ReadBlock函数有三个形参，分别用于存储读取到的数据的指针、 数据读取起始目标地址和单块长度。SD_ReadBlock函数执行流程如下：
(1) 函数的开头首先就根据SD卡的类型做了重要的处理，因为对于SDHC卡，数据块（扇区）的大小固定为512字节， 而且又由于后续发送SD卡读命令中的地址参数是数据块的编号（扇区号），所以若SD卡类型为SDHC卡时， 程序把输入参数ReadAddr从以字节单位转为扇区为单位，即：ReadAddr /= 512；
(2) 拉低片选信号，调用SD_SendCmd向SD卡发送CMD17命令以及命令参数（即要读取的地址ReadAddr）， 此命令的参数对于SDSC卡是实际的数据地址， 对于SDHC卡是扇区的编号，所以ReadAddr在第一个步骤作了区分处理。SD卡接收到该命令后，将会返回一个字节的R1响应、 一个字节的单块数据读取Token、一个从ReadAddr地址开始的数据块内容、2个字节的CRC校验码；
(3) 调用SD_GetResponse等待SD卡的R1响应；
(4) 接收到R1响应后，再调用SD_GetResponse检查SD卡是否返回单块数据读取的Token， 该宏SD_START_DATA_SINGLE_BLOCK_READ表示的Token值为0xFE；
(5) 接收到Token， 使用for循环调用SD_ReadByte函数接收长度为BlockSize个字节的数据；
(6) 读取完数据后，SD卡还返回2个字节的CRC校验码，此处不进行校验， 但还是要让SD卡完成发送流程，所以调用SD_WriteByte函数2次以产生时钟驱动SD卡输出校验码。
对于高容量的SD卡要求块大小必须为512字节，程序员有责任保证目标读取地址与块大小的字节对齐问题。
数据写入操作
数据写入操作与读取操作什么类型，只是发送的命令与数据传输方向的差异，见 代码清单:SD-17。
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 | /**
* @brief 往SD卡写入一个数据块
* @param pBuffer: 指针，指向将要写入的数据
* @param WriteAddr: 要写入的SD卡内部地址
* @param BlockSize: 块大小
* @retval SD响应:
* - SD_RESPONSE_FAILURE: 失败
* - SD_RESPONSE_NO_ERROR: 成功
*/
SD_Error SD_WriteBlock(uint8_t* pBuffer, uint64_t WriteAddr, uint16_t BlockSize)
{
uint32_t i = 0;
SD_Error rvalue = SD_RESPONSE_FAILURE;
//SDHC卡块大小固定为512，且写命令中的地址的单位是sector
if (SD_Type == SD_TYPE_V2HC) {
BlockSize = 512;
WriteAddr /= 512;
}
/*!< 片选CS低电平*/
SD_CS_LOW();
/*!< 发送 CMD24 (SD_CMD_WRITE_SINGLE_BLOCK) 以写入一个数据块 */
SD_SendCmd(SD_CMD_WRITE_SINGLE_BLOCK, WriteAddr, 0xFF);
/*!< 检查R1响应 */
if (!SD_GetResponse(SD_RESPONSE_NO_ERROR)) {
/*!< 发送 dummy 空字节 */
SD_WriteByte(SD_DUMMY_BYTE);
/*!< 发送 一个数据块起始Token表示 开始传输数据 */
SD_WriteByte(0xFE);
/*!< 写入一个数据块的数据 */
for (i = 0; i < BlockSize; i++) {
/*!< 发送指针指向的字节 */
SD_WriteByte(*pBuffer);
/*!< 指针加1 */
pBuffer++;
}
/*!< 两个字节的空CRC校验码，默认不验证 */
SD_ReadByte();
SD_ReadByte();
/*!< 读取SD卡数据响应 */
if (SD_GetDataResponse() == SD_DATA_OK) {
rvalue = SD_RESPONSE_NO_ERROR;
}
}
/*!< 片选信号CS高电平 */
SD_CS_HIGH();
/*!< 发送 dummy 空字节: 8 时钟周期的延时 */
SD_WriteByte(SD_DUMMY_BYTE);
/*!< 返回接收状态 */
return rvalue;
}
|
数据写入操作SD_WriteBlock函数有三个形参，分别是要写入的数据指针、写入起始目标地址和单块长度。函数执行流程如下：
(1) 类似地，函数的开头根据SD卡的类型做了重要的处理，对于SDHC卡， 把输入参数WriteAddr从以字节单位转为扇区为单位，即：WriteAddr/= 512；
(2) 拉低片选信号，调用SD_SendCmd向SD卡发送CMD24命令以及命令参数（即要写入的地址WriteAddr）， 此命令的参数对于SDSC卡是实际的数据地址，对于SDHC卡是扇区的编号，所以WriteAddr在第一个步骤作了区分处理。
(3) 接收到R1响应后，再调用SD_WriteByte向SD卡发送单块数据开始的Token：0xFE， SD卡接收到此Token值后，将把后续接收到的字节理解成要写入的数据；
(4) 使用for循环调用SD_WriteByte函数写入长度为BlockSize个字节的数据；
(5) 写入完数据后，还继续向SD卡发送2个字节的CRC校验码，此处代码中的SD_ReadByte函数等效于SD_WriteByte(0xFF)， 虽然SD卡在SPI模式下默认不进行校验，但还是要完成发送流程，所以发送了两个0xFF。
对于高容量的SD卡要求块大小必须为512字节，程序员有责任保证目标读取地址与块大小的字节对齐问题。
本工程中的驱动还包含有SD_ReadMultiBlocks和SD_WriteMultiBlocks函数用于连续向SD卡读写多个数据块，其程序实现是直接发送了多次单块数据读写的命令，十分类似，此处就不介绍了。
另外，由于SD卡的写入命令会自动对存储区域进行预擦除，所以写入操作前没必要像SPI-FLASH例程那样先擦除再写入，而没有这个需求的话， SD的擦除操作就很少用到，所以本驱动就没有去实现手动的擦除操作了。
35.5.2.7. 测试函数¶
测试SD卡部分的函数存放在sdcard_test.c文件中。
SD卡测试函数
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 | void SD_Test(void)
{
LED2_ON;
/* SD初始化*/
if ((Status = SD_Init()) != SD_RESPONSE_NO_ERROR) {
LED1_ON;
printf("SD卡初始化失败，请确保SD卡已正确接入开发板，或换一张SD卡测试！\n");
} else {
printf("SD卡初始化成功！\n");
}
if (Status == SD_RESPONSE_NO_ERROR) {
LED2_ON;
/*single block 读写测试*/
SD_SingleBlockTest();
LED2_ON;
/*muti block 读写测试*/
SD_MultiBlockTest();
}
}
|
测试程序以开发板上LED灯指示测试结果，同时打印相关测试结果到串口调试助手。测试程序先调用SD_Init函数完成SD卡初始化， 该函数具体代码参考 代码清单:SD-11 ，如果初始化成功就可以进行数据操作测试。
单块读写测试
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 | /**
* @brief 测试对SD卡的单块读写操作
* @param None
* @retval None
*/
void SD_SingleBlockTest(void)
{
/*------------------- 块 读写 --------------------------*/
/* 向数组填充要写入的数据*/
Fill_Buffer(Buffer_Block_Tx, BLOCK_SIZE, 0x320F);
if (Status == SD_RESPONSE_NO_ERROR) {
/* 把512个字节写入到SD卡的0地址 */
Status = SD_WriteBlock(Buffer_Block_Tx, 0x00, BLOCK_SIZE);
}
if (Status == SD_RESPONSE_NO_ERROR) {
/* 从SD卡的0地址读取512字节 */
Status = SD_ReadBlock(Buffer_Block_Rx, 0x00, BLOCK_SIZE);
}
/* 校验读出的数据是否与写入的数据一致 */
if (Status == SD_RESPONSE_NO_ERROR) {
TransferStatus1 = Buffercmp(Buffer_Block_Tx, Buffer_Block_Rx, BLOCK_SIZE);
}
if (TransferStatus1 == PASSED) {
LED2_ON;
printf("Single block 测试成功！\n");
} else {
LED1_ON;
printf("Single block 测试失败，请确保SD卡正确接入开发板，或换一张SD卡测试！\n");
}
}
|
SD_SingleBlockTest函数主要编程思想是首先填充一个块大小的存储器，通过写入操作把数据写入到SD卡内， 然后通过读取操作读取数据到另外的存储器，然后在对比存储器内容得出读写操作是否正确。
SD_SingleBlockTest函数一开始调用Fill_Buffer函数用于填充存储器内容，它只是简单实用for循环赋值方法给存储区填充数据， 它有三个形参，分别为存储区指针、填充字节数和起始数选择，这里的起始数选择参数对本测试没有实际意义。 SD_WriteBlock函数和SD_ReadBlock函数分别执行数据写入和读取操作， 具体可以参考 代码清单:SD-17 和 代码清单:SD-16。 Buffercmp函数用于比较两个存储区内容是否完全相等，它有三个形参，分别为第一个存储区指针、第二个存储区指针和存储器长度， 该函数只是循环比较两个存储区对应位置的两个数据是否相等，只有发现存在不相等就报错退出。
SD_MultiBlockTest函数与SD_SingleBlockTest函数执行过程类似，这里就不做详细分析。
主函数
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 | int main(void)
{
/* 配置系统时钟为72 MHz */
SystemClock_Config();
/*初始化USART 配置模式为 115200 8-N-1，中断接收*/
DEBUG_USART_Config();
/* 初始化LED灯 */
LED_GPIO_Config();
/* 初始化独立按键 */
Key_GPIO_Config();
/*初始化USART1*/
DEBUG_USART_Config();
printf("\r\n欢迎使用野火 STM32 开发板。\r\n");
printf("在开始进行SD卡基本测试前，请给开发板插入32G以内的SD卡\r\n");
printf("本程序会对SD卡进行 非文件系统 方式读写，会删除SD卡的文件系统\r\n");
printf("实验后可通过电脑格式化或使用SD卡文件系统的例程恢复SD卡文件系统\r\n");
printf("\r\n 但sd卡内的原文件不可恢复，实验前务必备份SD卡内的原文件！！！\r\n");
printf("\r\n 若已确认，请按开发板的KEY1按键，开始SD卡测试实验....\r\n");
/* Infinite loop */
while (1) {
/*按下按键开始进行SD卡读写实验，会损坏SD卡原文件*/
if ( Key_Scan(KEY1_GPIO_PORT,KEY1_PIN) == KEY_ON) {
printf("\r\n开始进行SD卡读写实验\r\n");
SD_Test();
}
}
}
|
测试过程中有用到LED灯、独立按键和调试串口，所以需要对这些模块进行初始化配置。在无限循环中不断检测按键状态， 如果有被按下就执行SD卡测试函数。由于本实验尚未移植文件系统，所以运行后会破坏原SD卡存储的内容，所以实验前请注意备份SD卡的数据。
35.5.3. 下载验证¶
把Micro SD卡插入到开发板右侧的卡槽内，使用USB线连接开发板上的“USB TO UART”接口到电脑， 电脑端配置好串口调试助手参数。编译实验程序并下载到开发板上，程序运行后在串口调试助手可接收到开发板发过来的提示信息， 按下开发板左下边沿的K1按键，开始执行SD卡测试，测试结果在串口调试助手可观察到，板子上LED灯也可以指示测试结果。