第四十三章 SD卡实验
1.硬件平台：正点原子探索者STM32F407开发板 2.软件平台：MDK5.1 3.固件库版本：V1.4.0
很多单片机系统都需要大容量存储设备，以存储数据。目前常用的有U盘，FLASH芯片，SD卡等。他们各有优点，综合比较，最适合单片机系统的莫过于SD卡了，它不仅容量可以做到很大（32GB以上），支持SPI/SDIO驱动，而且有多种体积的尺寸可供选择（标准的SD卡尺寸，以及TF卡尺寸等），能满足不同应用的要求。
只需要少数几个IO口即可外扩一个高达32GB以上的外部存储器，容量从几十M到几十G选择尺度很大，更换也很方便，编程也简单，是单片机大容量外部存储器的首选。
ALIENTKE 探索者STM32F4开发板自带了标准的SD卡接口，使用STM32F4自带的SDIO接口驱动，4位模式，最高通信速度可达48Mhz（分频器旁路时），最高每秒可传输数据24M字节，对于一般应用足够了。在本章中，我们将向大家介绍，如何在ALIENTEK探索者STM32F4开发板上实现SD卡的读取。本章分为如下几个部分：
43.1 SDIO接口简介
43.2 硬件设计
43.3 软件设计
43.4 下载验证
43.1 SDIO简介
ALIENTEK探索者STM32F4开发板自带SDIO接口，本节，我们将简单介绍STM32F4的SDIO接口，包括：主要功能及框图、时钟、命令与响应和相关寄存器简介等，最后，我们将介绍SD卡的初始化流程。
43.1.1 SDIO主要功能及框图
STM32F4的SDIO控制器支持多媒体卡（MMC卡）、SD存储卡、SD I/O卡和CE-ATA设备等。SDIO的主要功能如下：
? 与多媒体卡系统规格书版本4.2全兼容。支持三种不同的数据总线模式：1位(默认)、4位和8位。
? 与较早的多媒体卡系统规格版本全兼容(向前兼容)。
? 与SD存储卡规格版本2.0全兼容。
? 与SD I/O卡规格版本2.0全兼容：支持良种不同的数据总线模式：1位(默认)和4位。
? 完全支持CE-ATA功能(与CE-ATA数字协议版本1.1全兼容)。 8位总线模式下数据传输速率可达48MHz（分频器旁路时）。
? 数据和命令输出使能信号，用于控制外部双向驱动器。
STM32F4的SDIO控制器包含2个部分：SDIO适配器模块和APB2总线接口，其功能框图如图43.1.1.1所示：
图43.1.1.1 STM32F4的SDIO控制器功能框图
复位后默认情况下SDIO_D0用于数据传输。初始化后主机可以改变数据总线的宽度（通过ACMD6命令设置）。
如果一个多媒体卡接到了总线上，则SDIO_D0、SDIO_D[3:0]或SDIO_D[7:0]可以用于数据传输。MMC版本V3.31和之前版本的协议只支持1位数据线，所以只能用SDIO_D0（为了通用性考虑，在程序里面我们只要检测到是MMC卡就设置为1位总线数据）。
如果一个SD或SD I/O卡接到了总线上，可以通过主机配置数据传输使用SDIO_D0或SDIO_D[3:0]。所有的数据线都工作在推挽模式。
SDIO_CMD有两种操作模式：
① 用于初始化时的开路模式(仅用于MMC版本V3.31或之前版本)
② 用于命令传输的推挽模式(SD/SD I/O卡和MMC V4.2在初始化时也使用推挽驱动)
43.1.2 SDIO的时钟
从图43.1.1.1我们可以看到SDIO总共有3个时钟，分别是：
卡时钟（SDIO_CK）：每个时钟周期在命令和数据线上传输1位命令或数据。对于多媒体卡V3.31协议，时钟频率可以在0MHz至20MHz间变化；对于多媒体卡V4.0/4.2协议，时钟频率可以在0MHz至48MHz间变化；对于SD或SD I/O卡，时钟频率可以在0MHz至25MHz间变化。
SDIO适配器时钟（SDIOCLK）：该时钟用于驱动SDIO适配器，来自PLL48CK，一般为48Mhz，并用于产生SDIO_CK时钟。
APB2总线接口时钟（PCLK2）：该时钟用于驱动SDIO的APB2总线接口，其频率为HCLK/2，一般为84Mhz。
前面提到，我们的SD卡时钟（SDIO_CK），根据卡的不同，可能有好几个区间，这就涉及到时钟频率的设置，SDIO_CK与SDIOCLK的关系（时钟分频器不旁路时）为：
SDIO_CK=SDIOCLK/(2+CLKDIV)
其中，SDIOCLK为PLL48CK，一般是48Mhz，而CLKDIV则是分配系数，可以通过SDIO的SDIO_CLKCR寄存器进行设置（确保SDIO_CK不超过卡的最大操作频率）。注意，以上公式，是时钟分频器不旁路时的计算公式，当时钟分频器旁路时，SDIO_CK直接等于SDIOCLK。
这里要提醒大家，在SD卡刚刚初始化的时候，其时钟频率（SDIO_CK）是不能超过400Khz的，否则可能无法完成初始化。在初始化以后，就可以设置时钟频率到最大了（但不可超过SD卡的最大操作时钟频率）。
43.1.3 SDIO的命令与响应
SDIO的命令分为应用相关命令（ACMD）和通用命令（CMD）两部分，应用相关命令（ACMD）的发送，必须先发送通用命令（CMD55），然后才能发送应用相关命令（ACMD）。
SDIO的所有命令和响应都是通过SDIO_CMD引脚传输的，任何命令的长度都是固定为48位，SDIO的命令格式如表43.1.3.1所示：
表43.1.3.1 SDIO命令格式
所有的命令都是由STM32F4发出，其中开始位、传输位、CRC7和结束位由SDIO硬件控制，我们需要设置的就只有命令索引和参数部分。其中命令索引（如CMD0，CMD1之类的）在SDIO_CMD寄存器里面设置，命令参数则由寄存器SDIO_ARG设置。
一般情况下，选中的SD卡在接收到命令之后，都会回复一个应答（注意CMD0是无应答的），这个应答我们称之为响应，响应也是在CMD线上串行传输的。STM32F4的SDIO控制器支持2种响应类型，即：短响应（48位）和长响应（136位），这两种响应类型都带CRC错误检测（注意不带CRC的响应应该忽略CRC错误标志，如CMD1的响应）。
短响应的格式如表43.1.3.2所示：
表43.1.3.2 SDIO命令格式
长响应的格式如表43.1.3.3所示：
表43.1.3.3 SDIO命令格式
同样，硬件为我们滤除了开始位、传输位、CRC7以及结束位等信息，对于短响应，命令索引存放在SDIO_RESPCMD寄存器，参数则存放在SDIO_RESP1寄存器里面。对于长响应，则仅留CID/CSD位域，存放在SDIO_RESP1~SDIO_RESP4等4个寄存器。
SD存储卡总共有5类响应（R1、R2、R3、R6、R7），我们这里以R1为例简单介绍一下。R1（普通响应命令）响应输入短响应，其长度为48位，R1响应的格式如表43.1.3.4所示：
表43.1.3.4 R1响应格式
在收到R1响应后，我们可以从SDIO_RESPCMD寄存器和SDIO_RESP1寄存器分别读出命令索引和卡状态信息。关于其他响应的介绍，请大家参考光盘:《SD卡2.0协议.pdf》或《STM32F4xx中文参考手册》第28章。
最后，我们看看数据在SDIO控制器与SD卡之间的传输。对于SDI/SDIO存储器，数据是以数据块的形式传输的，而对于MMC卡，数据是以数据块或者数据流的形式传输。本节我们只考虑数据块形式的数据传输。
SDIO（多）数据块读操作，如图43.1.3.1所示：
图43.1.3.1 SDIO（多）数据块读操作
从上图，我们可以看出，从机在收到主机相关命令后，开始发送数据块给主机，所有数据块都带有CRC校验值（CRC由SDIO硬件自动处理），单个数据块读的时候，在收到1个数据块以后即可以停止了，不需要发送停止命令（CMD12）。但是多块数据读的时候，SD卡将一直发送数据给主机，直到接到主机发送的STOP命令（CMD12）。
SDIO（多）数据块写操作，如图43.1.3.2所示：
图43.1.3.2
SDIO（多）数据块写操作
数据块写操作同数据块读操作基本类似，只是数据块写的时候，多了一个繁忙判断，新的数据块必须在SD卡非繁忙的时候发送。这里的繁忙信号由SD卡拉低SDIO_D0，以表示繁忙，SDIO硬件自动控制，不需要我们软件处理。
SDIO的命令与响应就为大家介绍到这里。
43.1.4 SDIO相关寄存器介绍
第一个，我们来看SDIO电源控制寄存器（SDIO_POWER），该寄存器定义如图43.1.4.1所示：
图43.1.4.1 SDIO_POWER寄存器位定义
该寄存器复位值为0，所以SDIO的电源是关闭的，我们要启用SDIO，第一步就是要设置该寄存器最低2个位均为1，让SDIO上电，开启卡时钟。
第二个，我们看SDIO时钟控制寄存器（SDIO_CLKCR），该寄存器主要用于设置SDIO_CK的分配系数，开关等，并可以设置SDIO的数据位宽，该寄存器的定义如图43.1.4.2所示：
图43.1.4.2 SDIO_CLKCR寄存器位定义
上图仅列出了部分我们要用到的位设置，WIDBUS用于设置SDIO总线位宽，正常使用的时候，设置为1，即4位宽度。BYPASS用于设置分频器是否旁路，我们一般要使用分频器，所以这里设置为0，禁止旁路。CLKEN则用于设置是否使能SDIO_CK，我们设置为1。最后，CLKDIV，则用于控制SDIO_CK的分频，一般设置为0，即可得到24Mhz的SDIO_CK频率。
第三个，我们要介绍的是SDIO参数制寄存器（SDIO_ARG），该寄存器比较简单，就是一个32位寄存器，用于存储命令参数，不过需要注意的是，必须在写命令之前先写这个参数寄存器！
第四个，我们要介绍的是SDIO命令响应寄存器（SDIO_RESPCMD），该寄存器为32位，但只有低6位有效，比较简单，用于存储最后收到的命令响应中的命令索引。如果传输的命令响应不包含命令索引，则该寄存器的内容不可预知。
第五个，我们要介绍的是SDIO响应寄存器组（SDIO_RESP1~SDIO_RESP4），该寄存器组总共由4个32位寄存器组成，用于存放接收到的卡响应部分信息。如果收到短响应，则数据存放在SDIO_RESP1寄存器里面，其他三个寄存器没有用到。而如果收到长响应，则依次存放在SDIO_RESP1~ SDIO_RESP4里面，如表43.1.4.1所示：
表43.1.4.1 响应类型和SDIO_RESPx寄存器
第七个，我们介绍SDIO命令寄存器（SDIO_CMD），该寄存器各位定义如图43.1.4.3所示：
图43.1.4.3 SDIO_CMD寄存器位定义
图中只列出了部分位的描述，其中低6位为命令索引，也就是我们要发送的命令索引号（比如发送CMD1，其值为1，索引就设置为1）。位[7:6]，用于设置等待响应位，用于指示CPSM是否需要等待，以及等待类型等。这里的CPSM，即命令通道状态机，我们就不详细介绍了，请参阅《STM32F4xx中文参考手册》第776页，有详细介绍。命令通道状态机我们一般都是开启的，所以位10要设置为1。
第八个，我们要介绍的是SDIO数据定时器寄存器（SDIO_DTIMER），该寄存器用于存储以卡总线时钟（SDIO_CK）为周期的数据超时时间，一个计数器将从SDIO_DTIMER寄存器加载数值，并在数据通道状态机(DPSM)进入Wait_R或繁忙状态时进行递减计数，当DPSM处在这些状态时，如果计数器减为0，则设置超时标志。这里的DPSM，即数据通道状态机，类似CPSM，详细请参考《STM32F4xx中文参考手册》第780页。注意：在写入数据控制寄存器，进行数据传输之前，必须先写入该寄存器（SDIO_DTIMER）和数据长度寄存器（SDIO_DLEN）！
第九个，我们要介绍的是SDIO数据长度寄存器（SDIO_DLEN），该寄存器低25位有效，用于设置需要传输的数据字节长度。对于块数据传输，该寄存器的数值，必须是数据块长度（通过SDIO_DCTRL设置）的倍数。
第十个，我们要介绍的是SDIO数据控制寄存器（SDIO_DCTRL），该寄存器各位定义如图43.1.4.4所示：
图43.1.4.4 SDIO_DCTRL寄存器位定义
该寄存器，用于控制数据通道状态机（DPSM），包括数据传输使能、传输方向、传输模式、DMA使能、数据块长度等信息，都是通过该寄存器设置。我们需要根据自己的实际情况，来配置该寄存器，才可正常实现数据收发。
接下来，我们介绍几个位定义十分类似的寄存器，他们是：状态寄存器（SDIO_STA）、清除中断寄存器（SDIO_ICR）和中断屏蔽寄存器（SDIO_MASK），这三个寄存器每个位的定义都相同，只是功能各有不同。所以可以一起介绍，以状态寄存器（SDIO_STA）为例，该寄存器各位定义如图43.1.4.5所示：
图43.1.4.5 SDIO_STA 寄存器位定义
状态寄存器可以用来查询SDIO控制器的当前状态，以便处理各种事务。比如SDIO_STA的位2表示命令响应超时，说明SDIO的命令响应出了问题。我们通过设置SDIO_ICR的位2则可以清除这个超时标志，而设置SDIO_MASK的位2，则可以开启命令响应超时中断，设置为0关闭。其他位我们就不一一介绍了，请大家自行学习。
最后，我们向大家介绍SDIO的数据FIFO寄存器（SDIO_FIFO），数据FIFO寄存器包括接收和发送FIFO，他们由一组连续的32个地址上的32个寄存器组成，CPU可以使用FIFO读写多个操作数。例如我们要从SD卡读数据，就必须读SDIO_FIFO寄存器，要写数据到SD卡，则要写SDIO_FIFO寄存器。SDIO将这32个地址分为16个一组，发送接收各占一半。而我们每次读写的时候，最多就是读取发送FIFO或写入接收FIFO的一半大小的数据，也就是8个字（32个字节），这里特别提醒，我们操作SDIO_FIFO（不论读出还是写入）必须是以4字节对齐的内存进行操作，否则将导致出错！
至此，SDIO的相关寄存器介绍，我们就介绍完了。还有几个不常用的寄存器，我们没有介绍到，请大家参考《STM32F4xx中文参考手册》第28章相关章节。
43.1.5 SD卡初始化流程
最后，我们来看看SD卡的初始化流程，要实现SDIO驱动SD卡，最重要的步骤就是SD卡的初始化，只要SD卡初始化完成了，那么剩下的（读写操作）就简单了，所以我们这里重点介绍SD卡的初始化。从SD卡2.0协议（见光盘资料）文档，我们得到SD卡初始化流程图如图43.1.5.1所示：
图43.1.5.1 SD卡初始化流程
从图中，我们看到，不管什么卡（这里我们将卡分为4类：SD2.0高容量卡（SDHC，最大32G），SD2.0标准容量卡（SDSC，最大2G），SD1.x卡和MMC卡），首先我们要执行的是卡上电（需要设置SDIO_POWER[1:0]=11），上电后发送CMD0，对卡进行软复位，之后发送CMD8命令，用于区分SD卡2.0，只有2.0及以后的卡才支持CMD8命令，MMC卡和V1.x的卡，是不支持该命令的。CMD8的格式如表43.1.5.1所示：
表43.1.5.1 CMD8 命令格式
这里，我们需要在发送CMD8的时候，通过其带的参数我们可以设置VHS位，以告诉SD卡，主机的供电情况，VHS位定义如表43.1.5.2所示：
表43.1.5.2 VHS位定义
这里我们使用参数0X1AA，即告诉SD卡，主机供电为2.7~3.6V之间，如果SD卡支持CMD8，且支持该电压范围，则会通过CMD8的响应（R7）将参数部分原本返回给主机，如果不支持CMD8，或者不支持这个电压范围，则不响应。
在发送CMD8后，发送ACMD41（注意发送ACMD41之前要先发送CMD55），来进一步确认卡的操作电压范围，并通过HCS位来告诉SD卡，主机是不是支持高容量卡（SDHC）。ACMD41的命令格式如表43.1.5.3所示：
表43.1.5.3 ACMD41命令格式
ACMD41得到的响应（R3）包含SD卡OCR寄存器内容，OCR寄存器内容定义如表43.1.5.4所示：
表43.1.5.4 OCR寄存器定义
对于支持CMD8指令的卡，主机通过ACMD41的参数设置HCS位为1，来告诉SD卡主机支SDHC卡，如果设置为0，则表示主机不支持SDHC卡，SDHC卡如果接收到HCS为0，则永远不会反回卡就绪状态。对于不支持CMD8的卡，HCS位设置为0即可。
SD卡在接收到ACMD41后，返回OCR寄存器内容，如果是2.0的卡，主机可以通过判断OCR的CCS位来判断是SDHC还是SDSC；如果是1.x的卡，则忽略该位。OCR寄存器的最后一个位用于告诉主机SD卡是否上电完成，如果上电完成，该位将会被置1。
对于MMC卡，则不支持ACMD41，不响应CMD55，对MMC卡，我们只需要在发送CMD0后，在发送CMD1（作用同ACMD41），检查MMC卡的OCR寄存器，实现MMC卡的初始化。
至此，我们便实现了对SD卡的类型区分，图43.1.5.1中，最后发送了CMD2和CMD3命令，用于获得卡CID寄存器数据和卡相对地址（RCA）。
CMD2，用于获得CID寄存器的数据，CID寄存器数据各位定义如表43.1.5.5所示：
表43.1.5.5 卡CID寄存器位定义
SD卡在收到CMD2后，将返回R2长响应（136位），其中包含128位有效数据（CID寄存器内容），存放在SDIO_RESP1~4等4个寄存器里面。通过读取这四个寄存器，就可以获得SD卡的CID信息。
CMD3，用于设置卡相对地址（RCA，必须为非0），对于SD卡（非MMC卡），在收到CMD3后，将返回一个新的RCA给主机，方便主机寻址。RCA的存在允许一个SDIO接口挂多个SD卡，通过RCA来区分主机要操作的是哪个卡。而对于MMC卡，则不是由SD卡自动返回RCA，而是主机主动设置MMC卡的RCA，即通过CMD3带参数（高16位用于RCA设置），实现RCA设置。同样MMC卡也支持一个SDIO接口挂多个MMC卡，不同于SD卡的是所有的RCA都是由主机主动设置的，而SD卡的RCA则是SD卡发给主机的。
在获得卡RCA之后，我们便可以发送CMD9（带RCA参数），获得SD卡的CSD寄存器内容，从CSD寄存器，我们可以得到SD卡的容量和扇区大小等十分重要的信息。CSD寄存器我们在这里就不详细介绍了，关于CSD寄存器的详细介绍，请大家参考《SD卡2.0协议.pdf》。
至此，我们的SD卡初始化基本就结束了，最后通过CMD7命令，选中我们要操作的SD卡，即可开始对SD卡的读写操作了，SD卡的其他命令和参数，我们这里就不再介绍了，请大家参考《SD卡2.0协议.pdf》，里面有非常详细的介绍。
43.2 硬件设计
本章实验功能简介：开机的时候先初始化SD卡，如果SD卡初始化完成，则提示LCD初始化成功。按下KEY0，读取SD卡扇区0的数据，然后通过串口发送到电脑。如果没初始化通过，则在LCD上提示初始化失败。同样用DS0来指示程序正在运行。
本实验用到的硬件资源有：
1） 指示灯DS0
2） KEY0按键
3） 串口
4） TFTLCD模块
5） SD卡
前面四部分，在之前的实例已经介绍过了，这里我们介绍一下探索者STM32F4开发板板载的SD卡接口和STM32F4的连接关系，如图43.2.1所示：
图43.2.1 SD卡接口与STM32F4连接原理图
探索者STM32F4开发板的SD卡座（SD_CARD），在PCB背面，SD卡座与STM32F4的连接在开发板上是直接连接在一起的，硬件上不需要任何改动。
43.3 软件设计
软件设计部分请直接打开附件的pdf和工程来对照学习
43.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们通过下载代码到ALIENTEK探索者STM32F4开发板上，可以看到LCD显示如图43.4.1所示的内容（假设SD卡已经插上了）：
图43.4.1 程序运行效果图
打开串口调试助手，按下KEY0就可以看到从开发板发回来的数据了，如图43.4.2所示：
图43.4.2 串口收到的SD卡扇区0内容
这里请大家注意，不同的SD卡，读出来的扇区0是不尽相同的，所以不要因为你读出来的数据和图43.4.2不同而感到惊讶。
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发表于 2014-12-6 18:53:02
