STM32开发进阶SD卡操作经验分享

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攻城狮Melo 发布时间：2023-4-11 19:23

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文章简介:	STM32（ARM）开发进阶知识（六）：SD卡操作

SD卡（Secure Digital Memory Card）即：安全数字内存卡，它是在MMC的基础上发展而来，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛地于便携式装置上使用，例如数码相机、个人数码助理(PDA)和多媒体播放器等。SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。

SD卡简介

SD非常小巧，可以嵌入到设备中，在嵌入式开发中，产品需要存储一些容量叫大的文件，就可能会运用到SD卡。SD卡按容量分类，可以分为3类：SD卡、SDHC卡、SDXC卡，如下表所示。

容量大小不同的SD卡，其内部的操作标准是不同的。很多外设会明确告诉用户本设备最大能够支持容量多大的外扩，不能无限制的扩存，因为容量越大，操作不同，对控制器的要求比较高。当前设备的控制器不足以支持大容量，所以有外扩限制。

SD卡由9个引脚与外部通信，支持SPI和SDIO两种模式，不同模式下，SD卡引脚功能描述如下表所示。

SD卡的物理结构

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。

SD卡由9个引脚与外部通信，支持SPI和SDIO两种模式，不同模式下，SD卡引脚功能描述如下表所示。

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。

SD卡内部寄存器

SD卡总共有8个寄存器，用于设定或表示SD卡信息。这些寄存器只能通过对应的命令访问，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。

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卡都有SDIO接口。STM32F407系列控制器有一个SDIO主机接口，它可以与MMC卡、SD卡、SD I/O卡以及CE-ATA设备进行数据传输。也就是说SDIO接口不仅仅只会操作SD卡，凡是符合SDIO接口通信的设备都可以被操作。

SDIO 具有以下特性：

完全兼容多媒体卡系统规范版本 4.2。卡支持三种不同数据总线模式：1 位（默认）、4 位和 8 位

完全兼容先前版本的多媒体卡（向前兼容性）

完全兼容 SD 存储卡规范版本2.0

完全兼容 SD I/O 卡规范版本 2.0 ：卡支持两种不同数据总线模式：1 位（默认）和 4 位

完全支持 CE-ATA 功能（完全符合 CE-ATA 数字协议版本 1.1）

对于 8 位模式，数据传输高达 48 MHz

数据和命令输出使能信号，控制外部双向驱动程序。

SDIO 不具备兼容 SPI 的通信模式。

SDIO组成

SDIO 适配器块提供特定于 MMC/SD/SD I/O 卡的所有功能，如时钟生成单元、命令和数据传输。

APB2 接口访问 SDIO 适配器寄存器，并且生成中断和 DMA 请求信号。

注：

1、默认情况下，SDIO_D0用于数据传输。初始化后，主机可以更改数据总线宽度。

2、SD 卡连接到总线，主机可以将数据传输配置为SDIO_D[3:0]

3、SDIO使用两个时钟信号：SDIO适配器时钟(SDIOCLK= 48 MHz)和APB2总线时钟(PCLK2)。

４、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SD或SDI/O卡，时钟频率可以在0MHz至25MHz间变化，当数据正式稳定传输的时候配置为24MHz。SDIO_CK计算公式：SDIO_CK=SDIOCLK/(2+CLKDIV)

５、SDIO适配器时钟（SDIOCLK）：该时钟用于驱动SDIO适配器，可用于产生SDIO_CK时钟。对F4来说，SDIOCLK来自PLL48CK(48Mhz)。

６、F4：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PCLK2=84Mhz。

注意：在SD卡初始化时，SDIO_CK不可以超过400Khz，初始化完成后，可以设置为最大频率（但不可以超过SD卡最大操作频率）。

该适配器由五个子单元组成：

1.适配器寄存器块：适配器寄存器模块包含所有系统寄存器。

2.控制单元 : 控制单元包含电源管理功能和存储卡时钟的时钟分频器。

3.命令路径：命令路径单元向卡发送命令并从卡接收响应。

4.数据路径：数据路径子单元负责与卡相互传输数据。

5.数据 FIFO ：数据 FIFO（先进先出）子单元是一个数据缓冲器，带发送和接收单元。FIFO 包含一个宽度为 32 位且深度为 32 字的数据缓冲器和发送/接收逻辑。（一共32 个单元，一个单元一个字）。所有的数据传输都要经过FIFO，便于管理。

SDIO 命令简介

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。

SD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。

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 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。

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。

SD命令有4种类型：

1.无响应广播命令(bc)，发送到所有卡，不返回任务响应；

2.带响应广播命令(bcr)，发送到所有卡，同时接收来自所有卡响应；

3.寻址命令(ac)，发送到选定卡，DAT线无数据传输；

5.寻址数据传输命令(adtc)，发送到选定卡，DAT线有数据传输。

在标准中定义了两种类型的通用命令：特定应用命令(ACMD)和常规命令(GEN_CMD)，也就是说在64个命令作为常规命令的基础上加了特定的命令

要使用SD卡制造商特定的ACMD命令如ACMD6，需要在发送该命令之前无发送CMD55命令，告知SD卡接下来的命令为特定应用命令。CMD55命令只对紧接的第一个命令有效，SD卡如果检测到CMD55之后的第一条命令为ACMD则执行其特定应用功能，如果检测发现不是ACMD命令，则执行标准命令。

SD命令响应由SD卡向主机发出，部分命令要求SD卡作出响应，这些响应多用于反馈SD卡的状态。基本特性如下：

lSDIO总共有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CMD3命令时，可以得到响应R6。与命令一样，SD卡的响应也是通过CMD线连续传输的。根据响应内容大小可以分为短响应和长响应。短响应是48bit长度，只有R2类型是长响应，其长度为136bit。

SDIO读数据

单个块读操作与多个块的读操作除命令不同外，还体现在读操作结束时，单个块读取一个块自动结束，而多个块还需要主机发送停止命令。写操作类似，也要多发一个结束命令，只不过写操作写数据前需要检查卡的状态是否为忙状态。

SDIO写数据

SD卡操作模式

SD卡有多个版本，STM32控制器目前最高支持《Physical Layer SimplifiedSpecification V2.0》定义的SD卡，STM32控制器对SD卡进行数据读写之前需要识别卡的种类：V1.0标准卡、V2.0标准卡、V2.0高容量卡或者不被识别卡。

SD卡系统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，寻找总线上可用的SDIO设备；同时，SD卡也处于卡识别模式，直到被主机识别到，即当SD卡接收到SEND_RCA(CMD3)命令后，SD卡就会进入数据传输模式，而主机在总线上所有卡被识别后也进入数据传输模式。

每个不同的操作模式下，SD卡都有不同状态，通过命令控制实现卡状态的切换，在不同的状态下做不同的事，比如在发送数据前需要SD卡处于传输状态，发送数据时，SD卡处于接收状态。

卡识别模式

①上电后，主机发送CMD0让所有卡软复位从而进入空闲状态。

②主机发送CMD8确定卡的电压范围，并识别是否为2.0的卡

③主机发送ACMD41识别或拒绝不匹配它的电压范围的卡，SD卡需要工作在特定的电压范围之内

④主机发送CMD2来控制所有卡返回它们的卡识别号CID（128位)

⑤主机发送CMD3命令，让卡推荐一个RCA（16）地址作为以后通信的标识，之后都以RCA值作为身份标识进行信息交互。

注：在卡识别过程中，要求SD卡工作在识别时钟频率FOD的状态下，在SD卡初始化时，SDIO_CK不可以超过400Khz

数据传输模式

只有SD卡系统处于数据传输模式下才可以进行数据读写操作。数据传输模式下可以将主机SD时钟频率设置为FPP，默认最高为25MHz，频率切换可以通过CMD4命令来实现。通过CMD7命令加上RCA值来选定指定的卡，选中后SD卡进入数据传输状态，就可以发送CMD17读单个块，CMD18读多个块，读多个块时只有发送CMD12命令才会停止。SD卡再次进入传输状态，若不想对卡有任何操作可以再次发送CMD7命令加上RCA值来取消指定的卡，写操作与上述原理相同。

SD卡普通模式操作实例

实验内容：向SD卡写入数据后读出

实验步骤：

1.配置RCC，与以往不同的是SDIO适配器的时钟是单独配置的，需要专用的SDIOCLK，标准工作在48MHz

2.配置SDIO

3.编写代码

//mian.c
#include "main.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "sdio.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"
#define SDBUF_SIZE 1024
uint8_t SDBUF_TX[SDBUF_SIZE],SDBUF_RX[SDBUF_SIZE];//数据传输的buf，一个用于传输，一个用于接收
//定义全局变量，最好不定义局部变量，防止因过大造成栈溢出
int main(void)
{
uint32_t i;
HAL_SD_CardInfoTypeDef pCardInfo;//定义结构体用来接收卡信息
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_SDIO_SD_Init();
MX_USART1_UART_Init();
printf("this is sd test\n");
//卡识别结束后就可以调用HAL_SD_GetCardInfo()函数获取卡信息并打印
HAL_SD_GetCardInfo(&hsd, &pCardInfo);
printf("pCardInfo.CardType = %u\n",pCardInfo.CardType);
printf("pCardInfo.CardVersion = %u\n",pCardInfo.CardVersion);//版本
printf("pCardInfo.BlockNbr = %u\n",pCardInfo.BlockNbr);//SD卡块数
printf("pCardInfo.BlockSize = %u\n",pCardInfo.BlockSize);//每一块大小
/*--------------------SD卡写测试----------------------------------*/
memset(SDBUF_TX, 0x8, SDBUF_SIZE); /、填充TXbuf为0x8
/**
//函数功能及参数描述
*HAL_StatusTypeDef HAL_SD_WriteBlocks(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData,
*uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks, uint32_t Timeout)
* @param hsd Pointer to SD handle
* @param pData pointer to the buffer that will contain the data to transmit
* @param BlockAdd Block Address where data will be written，从哪一个块开始写
* @param NumberOfBlocks Number of SD blocks to write 写几个块
* @param Timeout Specify timeout value 超时时间
* @retval HAL status
if( HAL_SD_WriteBlocks(&hsd, SDBUF_TX, 0 , 2, 1000) == HAL_OK)
{
while(HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER);//处于传输状态退出
printf("WriteBlocks Successfully\n");
for(i=0; i<SDBUF_SIZE; i++)
{
printf("%d ",SDBUF_TX[i]);
}
printf("\r\n");
}
else
{
printf("WriteBlocks Failed\n");
}
/*--------------------SD 卡读测试----------------------------------*/
//与HAL_SD_WriteBlocks函数的参数功能相同
if( HAL_SD_ReadBlocks(&hsd, SDBUF_RX , 0, 2, 1000) == HAL_OK)
{
while(HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER);//返回到传输状态退出
printf("ReadBlocks Successfully\n");
for(i=0; i<SDBUF_SIZE; i++)
{
printf("%d ",SDBUF_RX[i]);
}
printf("\r\n");
}
else
{
printf("ReadBlocks Failed\n");
}
/*--------------------SD 擦除测试----------------------------------*/
if (HAL_SD_Erase(&hsd, 0, 1) == HAL_OK )
{
while(HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER);
printf("SD_Erase Successfully\n");
}
else
{
printf("SD_Erase Failed\n");
}
/*--------------------SD 卡读测试----------------------------------*/
if( HAL_SD_ReadBlocks(&hsd, SDBUF_RX , 0, 2, 1000) == HAL_OK)
{
while(HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER);
printf("ReadBlocks Successfully\n");
for(i=0; i<SDBUF_SIZE; i++)
{
printf("%d ",SDBUF_RX[i]);
}
printf("\r\n");
}
else
{
printf("ReadBlocks Failed\n");
}
while (1)
{
}
}

复制代码

//sdio.c
//此代码为工程自动生成，非用户编写，这里只做分析
#include "sdio.h"
#include "gpio.h"
/* USER CODE BEGIN 0 */
/* USER CODE END 0 */
SD_HandleTypeDef hsd;
/* SDIO init function */
void MX_SDIO_SD_Init(void) //初始化配置
{
hsd.Instance = SDIO; //SDIO句柄，整个系统中只有这一个
hsd.Init.ClockEdge = SDIO_CLOCK_EDGE_RISING;
hsd.Init.ClockBypass = SDIO_CLOCK_BYPASS_DISABLE;
hsd.Init.ClockPowerSave = SDIO_CLOCK_POWER_SAVE_DISABLE;
hsd.Init.BusWide = SDIO_BUS_WIDE_1B; //初始化时设置数据宽度为1位
hsd.Init.HardwareFlowControl = SDIO_HARDWARE_FLOW_CONTROL_DISABLE;
hsd.Init.ClockDiv = 0;
//HAL_SD_Init()函数内部做了很多事去识别SD卡，具体的卡识别代码分析在下方
if (HAL_SD_Init(&hsd) != HAL_OK)
{
_Error_Handler(__FILE__, __LINE__);
}
//初始化结束后重新配置数据宽度为4位
if (HAL_SD_ConfigWideBusOperation(&hsd, SDIO_BUS_WIDE_4B) != HAL_OK)
{
_Error_Handler(__FILE__, __LINE__);
}
}
//卡识别代码如下
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_InitCard(SD_HandleTypeDef *hsd)
{
uint32_t errorstate = HAL_SD_ERROR_NONE;
SD_InitTypeDef Init;
/* Default SDIO peripheral configuration for SD card initialization */
//完成卡识别
Init.ClockEdge = SDIO_CLOCK_EDGE_RISING;
Init.ClockBypass = SDIO_CLOCK_BYPASS_DISABLE;
Init.ClockPowerSave = SDIO_CLOCK_POWER_SAVE_DISABLE;
Init.BusWide = SDIO_BUS_WIDE_1B;
Init.HardwareFlowControl = SDIO_HARDWARE_FLOW_CONTROL_DISABLE;
Init.ClockDiv = SDIO_INIT_CLK_DIV;
//SDIO_CK卡识别阶段要求时钟小于400KHz,宏定义
//SDIO_CK计算公式：SDIO_CK=SDIOCLK/(2+CLKDIV)
/* SDIO Initialization Frequency (400KHz max) */
/*#define SDIO_INIT_CLK_DIV ((uint8_t)0x76)*/
/* Initialize SDIO peripheral interface with default configuration */
SDIO_Init(hsd->Instance, Init);
/* Disable SDIO Clock */
__HAL_SD_DISABLE(hsd);
/* Set Power State to ON 对SD卡进行上电 */
SDIO_PowerState_ON(hsd->Instance);
/* Enable SDIO Clock */
__HAL_SD_ENABLE(hsd);
/* Required power up waiting time before starting the SD initialization
sequence */
HAL_Delay(2U);
/* Identify card operating voltage */
errorstate = SD_PowerON(hsd);
if(errorstate != HAL_SD_ERROR_NONE)
{
hsd->State = HAL_SD_STATE_READY;
hsd->ErrorCode |= errorstate;
return HAL_ERROR;
}
/* Card initialization */
errorstate = SD_InitCard(hsd);
if(errorstate != HAL_SD_ERROR_NONE)
{
hsd->State = HAL_SD_STATE_READY;
hsd->ErrorCode |= errorstate;
return HAL_ERROR;
}
return HAL_OK;
}

复制代码

SD卡ＤＭＡ模式操作实例

当SD卡中有大量的音视频需要读取时，整个过程需要CPU干预，这样CPU的利用率就会降低，因此大量数据的传输最好启用DMA。

实验内容：向SD卡写入数据后读出。

实验步骤：工程的时钟配置和SDIO配置与普通模式相同，只有一点不同需要打开SDIO的全局中断，因为SDIO发送与接收完成后都需要中断去生成DMA请求。设置SDIO全局中断优先级更高一些，因为它内部还有很多其他中断，发生错误时更需要处理。

配置DMA

编写代码:

//mian.c
#include "main.h"
#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "dma.h"
#include "sdio.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"
#define SDBUF_SIZE 1024
uint8_t SDBUF_TX[SDBUF_SIZE],SDBUF_RX[SDBUF_SIZE];//数据传输的buf，一个用于传输，一个用于接收
//定义全局变量，最好不定义局部变量，防止因过大造成栈溢出
uint8_t DMA_SEND_OK, DMA_RCV_OK;
int main(void)
{
uint32_t i;
HAL_SD_CardInfoTypeDef pCardInfo;//定义结构体用来接收卡信息
HAL_Init();
SystemClock_Config();
MX_GPIO_Init();
MX_DMA_Init();
MX_SDIO_SD_Init();
MX_USART1_UART_Init();
printf("this is sd test\n");
//卡识别结束后就可以调用HAL_SD_GetCardInfo()函数获取卡信息并打印
HAL_SD_GetCardInfo(&hsd, &pCardInfo);
printf("pCardInfo.CardType = %u\n",pCardInfo.CardType);
printf("pCardInfo.CardVersion = %u\n",pCardInfo.CardVersion);//版本
printf("pCardInfo.BlockNbr = %u\n",pCardInfo.BlockNbr);//SD卡块数
printf("pCardInfo.BlockSize = %u\n",pCardInfo.BlockSize);//每一块大小
/*------------------- SD DMA 写测试-------------------------------------*/
memset(SDBUF_TX, 0x2, SDBUF_SIZE );
DMA_SEND_OK = 0;　　//设置发送完成标志位为０，完成时为１
/**
//函数原型
*HAL_StatusTypeDef HAL_SD_WriteBlocks_DMA(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData,
uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks)
* @param hsd Pointer to SD handle
* @param pData Pointer to the buffer that will contain the data to transmit
* @param BlockAdd Block Address where data will be written 从哪个块开始写
* @param NumberOfBlocks Number of blocks to write　　写几个块
* @retval HAL status
*/
if( HAL_SD_WriteBlocks_DMA(&hsd, SDBUF_TX, 0, 1) == HAL_OK )
{
//等待DMA传输完成，并且SD卡状态为传输状态
while( (DMA_SEND_OK ==0 ) || (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER));
printf("WriteBlocks Successfully\n");
for(i=0; i<SDBUF_SIZE; i++)
{
printf("%d ",SDBUF_TX[i]);
}
printf("\r\n");
}
else
{
printf("WriteBlocks Failed\n");
}
/*------------------- SD DMA 读测试-------------------------------------*/
DMA_RCV_OK = 0;　　　//设置读取完成标志位为０，完成时为１
if(HAL_SD_ReadBlocks_DMA(&hsd, SDBUF_RX, 0, 1) == HAL_OK)
{
while( (DMA_RCV_OK ==0) || (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER));
printf("ReadBlocks Successfully\n");
for(i=0; i<SDBUF_SIZE; i++)
{
printf("%d ",SDBUF_RX[i]);
}
printf("\r\n");
}
else
{
printf("ReadBlocks Failed\n");
}
while (1){}
}