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基于STM32CubeMX SD卡经验分享

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攻城狮Melo 发布时间：2023-6-28 15:18
1.SD卡介绍

1.1 SD卡简介
很多单片机系统都需要大容量存储设备，以存储数据（常用的有U盘、FLASH芯片、SD卡等），比较而言SD卡是单片机大容量外部存储的首选，只需要少数几个IO口即可外扩一个容量从几十M到几十G的，且有多种体积尺寸可选（标准SD卡、TF卡等）的外部存储器。

SD卡（Secure Digital Memory Card）即：安全数码卡，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。

微信图片_20230628151758.png

SD卡按容量分类，可以分为3类：SD卡、SDHC卡、SDXC卡，如下表所示：

微信图片_20230628151754.png

1.2 SD卡的物理结构及内部框图
SD卡的物理结构一般包括以下5个部分：

  • 存储单元：是存储数据部件；
  • 存储单元接口：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。


微信图片_20230628151750.png



SDIO由SDIO适配器和APB2接口两部分组成：
名称
功能
SDIO适配器
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

下图是SDIO功能框图及SDIO适配器框图：

微信图片_20230628151746.png


1.3 SD卡命令
SD卡命令由主机发出，命令格式固定为48位，通过CMD线连续传输，数据线不参与。SD命令结构如下图示：由6个字节组成，字节1的最高2位固定为01、低6位为命令号（比如CMD16）；字节2 ~ 5为命令参数（有的命令没有参数）；字节6的高7位为CRC、最低位恒定为1
微信图片_20230628151736.png
SD命令组成的详细说明如下：

  • 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。



1.4 SD卡响应
SD卡命令的响应由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：

  • SDIO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。


微信图片_20230628151723.png



SD的读写操作是以块为操作对象。先发送命令开始传输，然后传输数据块，传输完数据块紧接着传输CRC检验值。最好发送停止命令停止数据传输
微信图片_20230628151719.png


1.5 SD卡的操作模式及切换
SD卡有多个版本，STM32控制器目前最高支持《Physical Layer Simplified Specification 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。

微信图片_20230628151713.png

微信图片_20230628151707.png


2.硬件设计
D1指示灯用来提示系统运行状态，K_UP写入数据，K_DOWN读取数据，TFTLCD用来显示SD卡的容量、类型等信息，串口1用来打印调试信息

  • D1指示灯
  • K_UP/K_DOWN/K_LEFT/K_RIGHT按键
  • USART1串口
  • TFTLCD

  • TF卡


微信图片_20230628151659.png

从以上电路图可以看出，SD卡支持SPI和SDIO模式，两种模式可以通过端子进行切换，P4端子与SD卡连接，SD端子与STM32F1的SDIO接口连接，IO端子与STM32F1的SPI2接口连接，本例程使用SDIO模式（将P4端子与SD端子短接）

3.软件设计
3.1 STM32CubeMX设置
➡️ RCC设置外接HSE，时钟设置为72M
➡️ PC0设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速、默认输出电平为高电平
➡️ PA0设置为GPIO输入模式、下拉模式；PE2/PE3/PE4设置为GPIO输入模式、上拉模式
➡️ USART1选择为异步通讯方式，波特率设置为115200Bits/s，传输数据长度为8Bit，无奇偶校验，1位停止位
➡️ 激活FSMC
➡️ 激活SDIO，选择4线SD模式，分频因子设为4，使能流控，其余默认设置

微信图片_20230628151652.png

➡️ 激活CRC功能，以避免后续读写SD卡报CRC校验错误

微信图片_20230628151646.png

➡️输入工程名，选择路径（不要有中文），选择MDK-ARM V5；勾选Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ；点击GENERATE CODE，生成工程代码

3.2 MDK-ARM软件编程
➡️ 创建按键驱动文件key.c和key.h，参考按键输入例程
➡️ 创建LCD驱动文件tftlcd.c 和tftlcd.h，参考TFTLCD显示例程
➡️ 在sdio.c文件下可以看到sdio初始化函数，同时在该文件下添加显示SD卡信息函数

  1. void MX_SDIO_SD_Init(void){
  2.   hsd.Instance = SDIO;
  3.   hsd.Init.ClockEdge = SDIO_CLOCK_EDGE_RISING;//上升沿
  4.   hsd.Init.ClockBypass = SDIO_CLOCK_BYPASS_DISABLE;//比使用bypass，直接用HCLK分配得到SDIO_CK
  5.   hsd.Init.ClockPowerSave = SDIO_CLOCK_POWER_SAVE_DISABLE;//空闲时不关闭时钟电源
  6.   hsd.Init.BusWide = SDIO_BUS_WIDE_1B;//1位数据线
  7.   hsd.Init.HardwareFlowControl = SDIO_HARDWARE_FLOW_CONTROL_ENABLE;//开启硬件流控
  8.   hsd.Init.ClockDiv = 4;//4分频
  9.   if (HAL_SD_Init(&hsd) != HAL_OK){
  10.     Error_Handler();
  11.   }
  12.   if (HAL_SD_ConfigWideBusOperation(&hsd, SDIO_BUS_WIDE_4B) != HAL_OK){
  13.     Error_Handler();//初始化完成后使能宽总线（4位）模式
  14.   }
  15. }
  16. //显示SD卡信息函数
  17. void Show_SDMMC_Info(void){
  18.   HAL_SD_CardCIDTypeDef SDCard_CID;
  19.   HAL_SD_CardInfoTypeDef SDCard_INFO;
  20.   uint64_t CardCap;                        //SD卡容量
  21.   HAL_SD_GetCardCID(&hsd,&SDCard_CID);        //获取CID
  22.   HAL_SD_GetCardInfo(&hsd,&SDCard_INFO);//获取SD卡信息
  23.   FRONT_COLOR=BROWN;       
  24.   switch(SDCard_INFO.CardType)                //SD卡类型
  25.   {
  26.     case CARD_SDSC:
  27.       if(SDCard_INFO.CardVersion == CARD_V1_X){
  28.         LCD_ShowString(120,190,50,16,16,(uint8_t *)"SDSC V1");
  29.         printf("Card Type: SDSC V1\r\n");
  30.       }
  31.       else if(SDCard_INFO.CardVersion == CARD_V2_X){
  32.         LCD_ShowString(120,190,50,16,16,(uint8_t *)"SDSC V2");
  33.         printf("Card Type: SDSC V2\r\n");
  34.       }
  35.       break;
  36.     case CARD_SDHC_SDXC:
  37.       LCD_ShowString(120,190,50,16,16,(uint8_t *)"SDHC");
  38.       printf("Card Type: SDHC\r\n");
  39.       break;
  40.   }
  41.        
  42.   CardCap = (uint64_t)(SDCard_INFO.LogBlockNbr)*(uint64_t)(SDCard_INFO.LogBlockSize)/1024/1024;        //计算SD卡容量
  43.   printf("Card ManufacturerID:%d\r\n",SDCard_CID.ManufacturerID);//制造商ID
  44.   printf("Card RCA:%d\r\n",SDCard_INFO.RelCardAdd);        //卡相对地址
  45.   printf("LogBlockNbr:%d\r\n",SDCard_INFO.LogBlockNbr);        //逻辑块数量
  46.   printf("LogBlockSize:%d\r\n",SDCard_INFO.LogBlockSize);//逻辑块大小
  47.   printf("Card Capacity:%d MB\r\n",(uint32_t)CardCap);        //显示容量
  48.   printf("Card BlockSize:%d\r\n",SDCard_INFO.BlockSize);//块大小
  49.   LCD_ShowNum(120,210,CardCap,4,16);
  50.   LCD_ShowString(160,210,50,16,16,(uint8_t *)"MB");
  51. }
复制代码

➡️ 在main.c文件下编写SD卡读写测试代码

  1. uint8_t Buffer_Tx[512],Buffer_Rx[512] = {0};
  2. uint32_t i;
  3. int main(void){
  4. uint8_t key;
  5.   HAL_Init();
  6.   SystemClock_Config();
  7.   MX_GPIO_Init();
  8.   MX_FSMC_Init();
  9.   MX_SDIO_SD_Init();
  10.   MX_USART1_UART_Init();
  11.   MX_CRC_Init();
  12.   /* USER CODE BEGIN 2 */
  13.   TFTLCD_Init();       
  14.   FRONT_COLOR=BROWN;
  15.   LCD_DrawRectangle(25,25,215,135);
  16.   FRONT_COLOR=RED;                                       
  17.   LCD_ShowString(30,30,200,16,16,(uint8_t *)"ANDYXI STM32");       
  18.   LCD_ShowString(30,50,200,16,16,(uint8_t *)"STM32CubeMX");       
  19.   LCD_ShowString(30,70,200,16,16,(uint8_t *)"SDIO TEST");
  20.   FRONT_COLOR=BLACK;
  21.   LCD_ShowString(30,90,200,16,16, (uint8_t *)"K_U:ReadSD K_D:WriteSD");
  22.   LCD_ShowString(30,110,200,16,16,(uint8_t *)"K_R:EaseSD K_L:None");
  23.   FRONT_COLOR=BLUE;
  24.   LCD_ShowString(30,170,200,16,16,(uint8_t *)"SD Card Information");
  25.   LCD_ShowString(30,190,80,16,16,(uint8_t *)"Card Type:     ");
  26.   LCD_ShowString(30,210,80,16,16,(uint8_t *)"Card Capa:");       
  27.   Show_SDMMC_Info();
  28.   memset(Buffer_Tx,0x15,sizeof(Buffer_Tx));       
  29.   /* USER CODE END 2 */
  30.   while (1){
  31.     key = KEY_Scan(0);
  32.     switch(key)
  33.     {
  34.       case KEY_RIGHT_PRES:
  35.         if(HAL_SD_Erase(&hsd,0,1) == HAL_OK){
  36.           while(HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER);
  37.           printf("\r\nErase Block Success!\r\n");
  38.           LCD_ShowString(30,250,200,16,16,(uint8_t *)"Erase Block Success!");
  39.         }
  40.         else{
  41.           printf("\r\nErase Block Failed!\r\n");       
  42.           LCD_ShowString(30,250,200,16,16,(uint8_t *)"Erase Block Failed!");                               
  43.         }
  44.         break;
  45.       case KEY_UP_PRES:
  46.         if(HAL_SD_ReadBlocks(&hsd,Buffer_Rx,0,1,0xffffffff) == HAL_OK){
  47.           while(HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER);
  48.           printf("\r\nRead Block Success!\r\n");
  49.           for(i=0;i<sizeof(Buffer_Rx);i++)
  50.             printf("%02x ",Buffer_Rx[i]);
  51.           printf("\r\n");
  52.           LCD_ShowString(30,250,200,16,16,(uint8_t *)"Read Block Success!");
  53.         }else{
  54.           printf("\r\nRead Block Failed!\r\n");
  55.           LCD_ShowString(30,250,200,16,16,(uint8_t *)"Read Block Success!");                               
  56.         }
  57.         break;          
  58.       case KEY_DOWN_PRES:
  59.         if(HAL_SD_WriteBlocks(&hsd,Buffer_Tx,0,1,0xffffffff) == HAL_OK){
  60.           while(HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER);
  61.             printf("\r\nWrite Block Success!\r\n");
  62.           for(i=0;i<sizeof(Buffer_Tx);i++)
  63.             printf("0x%02x:%02x ",i,Buffer_Tx[i]);
  64.           printf("\r\n");
  65.           LCD_ShowString(30,250,200,16,16,(uint8_t *)"Write Block Success!");
  66.         }else{
  67.           printf("\r\nWrite Block Failed!\r\n");
  68.           LCD_ShowString(30,250,200,16,16,(uint8_t *)"Write Block Failed!");
  69.         }
  70.         break;
  71.     }
  72.   HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_0);
  73.   HAL_Delay(200);
  74.   }
  75. }
复制代码

4.下载验证

编译无误下载到开发板后，可以看到D1指示灯不断闪烁，按下KEY_UP键读取SD卡数据，按下KEY_DOWN键写入数据，按下KEY_RIGHT键擦除数据，SD卡信息以及更新的信息都会显示在LCD屏上


微信图片_20230628151627.png

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微信图片_20230628151638.png
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