深入解析STM32中SD卡操作的专题讲解

SD卡简介

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。

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

SD卡外形和接口图如下图所示：

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

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。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

STM32-SDIO接口简介

        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，另外一种就是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。

参考资料：

•多媒体卡协会网站www.mmca.org中提供了有MMCA技术委员会发布的多媒体卡系统规范。

•SD卡协会网站www.sdcard.org中提供了SD存储卡和SDIO卡系统规范。

•CE-ATA工作组网站www.ce-ata.org中提供了CE_ATA系统规范。

SDIO设备分类

注：目前SDIO协议提供的SD卡规范版本最新是4.01版本，但STM32F42x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

STM32-SDIO接口特性

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。

STM32-SDIO功能框图

SDIO 由两部分组成：

●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=48MHz)和APB2 总线时钟(PCLK2)

STM32-SDIO时钟

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，可用于产生SDIO_CK时钟。对F4来说，SDIOCLK来自PLL48CK(48Mhz)。

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。

SDIO_CK计算公式：SDIO_CK=SDIOCLK/(2+CLKDIV)

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）。

STM32-SDIO适配器

该适配器由五个子单元组成：

●适配器寄存器块

●控制单元

●命令路径

●数据路径

●数据FIFO

该适配器由五个子单元组成：

● 适配器寄存器块 ：适配器寄存器模块包含所有系统寄存器。

● 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。

● 命令路径 ：命令路径单元向卡发送命令并从卡接收响应。

● 数据路径 ：数据路径子单元负责与卡相互传输数据。

● 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。

SD卡操作命令及模式详解

SDIO内部结构

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。

SDIO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 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

SDIO命令类型

SD命令有4种类型：

•无响应广播命令(bc)，发送到所有卡，不返回任务响应；

•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；

•寻址命令(ac)，发送到选定卡，DAT线无数据传输；

•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)

        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命令的响应

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。

SD卡的操作模式及切换

SD卡操作模式

        SD卡有多个版本，STM32控制器目前最高支持《PhysicalLayerSimplified SpecificationV2.0》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。

SD卡操作模式

每个操作模式下，SD卡都有几种状态，通过命令控制实现卡状态的切换：

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

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

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。

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。

CMD7用来选定和取消指定的卡