第36章 SDIO—SD卡读写测试—零死角玩转STM32-F429系列

 

第36章     SDIO—SD卡读写测试

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本章参考资料：《STM32F4xx参考手册》、《STM32F4xx规格书》、库帮助文档《stm32f4xx_dsp_stdperiph_lib_um.chm》以及SD简易规格文件《Physical Layer Simplified Specification V2.0》(版本号：2.00)。

特别说明，本书内容是以STM32F42x系列控制器资源讲解。

阅读本章内容之前，建议先阅读SD简易规格文件。

36.1 SDIO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。STM32F42x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。MMC卡可以说是SD卡的前身，现阶段已经用得很少。SD I/O卡本身不是用于存储的卡，它是指利用SDIO传输协议的一种外设。比如Wi-Fi Card，它主要是提供Wi-Fi功能，有些Wi-Fi模块是使用串口或者SPI接口进行通信的，但Wi-Fi SDIO Card是使用SDIO接口进行通信的。并且一般设计SD I/O卡是可以插入到SD的插槽。CE-ATA是专为轻薄笔记本硬盘设计的硬盘高速通讯接口。

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。

随之科技发展，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 361。

图 361 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。

本章内容针对SD卡使用讲解，对于其他类型卡的应用可以参考相关系统规范实现，所以对于控制器中针对其他类型卡的内容可能在本章中简单提及或者被忽略，本章内容不区分SDIO和SD卡这两个概念。即使目前SD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。

36.2 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 362。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。

图 362 SD卡物理结构

SD卡总共有8个寄存器，用于设定或表示SD卡信息，参考表 361。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的，它是通过命令来控制，SDIO定义了64个命令，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。

表 361 SD卡寄存器

名称	bit宽度	描述
CID	128	卡识别号(Card identification number):用来识别的卡的个体号码(唯一的)
RCA	16	相对地址(Relative card address):卡的本地系统地址，初始化时，动态地由卡建议，主机核准。
DSR	16	驱动级寄存器(Driver Stage Register):配置卡的输出驱动
CSD	128	卡的特定数据(Card Specific Data):卡的操作条件信息
SCR	64	SD配置寄存器(SD Configuration Register):SD 卡特殊特性信息
OCR	32	操作条件寄存器(Operation conditions register)
SSR	512	SD状态(SD Status):SD卡专有特征的信息
CSR	32	卡状态(Card Status):卡状态信息

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。

36.3 SDIO总线

36.3.1 总线拓扑

SD卡一般都支持SDIO和SPI这两种接口，本章内容只介绍SDIO接口操作方式，如果需要使用SPI操作方式可以参考SPI相关章节。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 363。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。

图 363 SD卡总线拓扑

SD卡使用9-pin接口通信，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：时钟线，由SDIO主机产生，即由STM32控制器输出；

    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；

    D0-3：数据线，传输读写数据；SD卡可将D0拉低表示忙状态；

    V_DD、V_SS1、V_SS2：电源和地信号。

在之前的I2C以及SPI章节都有详细讲解了对应的通信时序，实际上，SDIO的通信时序简单许多，SDIO不管是从主机控制器向SD卡传输，还是SD卡向主机控制器传输都只以CLK时钟线的上升沿为有效。SD卡操作过程会使用两种不同频率的时钟同步数据，一个是识别卡阶段时钟频率FOD，最高为400kHz，另外一个是数据传输模式下时钟频率FPP，默认最高为25MHz，如果通过相关寄存器配置使SDIO工作在高速模式，此时数据传输模式最高频率为50MHz。

对于STM32控制器只有一个SDIO主机，所以只能连接一个SDIO设备，开发板上集成了一个Micro SD卡槽和SDIO接口的WiFi模块，要求只能使用其中一个设备。SDIO接口的WiFi模块一般集成有使能线，如果需要用到SD卡需要先控制该使能线禁用WiFi模块。

36.3.2 总线协议

SD总线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总线的基本交互是命令与响应交互，见图 364。

图 364 命令与响应交互

SD数据是以块(Black)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。STM32控制器可以控制使用单线或4线传输，本开发板设计使用4线传输。图 365为主机向SD卡写入数据块操作示意。

图 365 多块写入操作

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，多块写入还需要使用命令来停止整个写入操作。数据写入前需要检测SD卡忙状态，因为SD卡在接收到数据后编程到存储区过程需要一定操作时间。SD卡忙状态通过把D0线拉低表示。

数据块读操作与之类似，只是无需忙状态检测。

使用4数据线传输时，每次传输4bit数据，每根数据线都必须有起始位、终止位以及CRC位，CRC位每根数据线都要分别检查，并把检查结果汇总然后在数据传输完后通过D0线反馈给主机。

SD卡数据包有两种格式，一种是常规数据(8bit宽)，它先发低字节再发高字节，而每个字节则是先发高位再发低位，4线传输示意如图 366。

图 366 8位宽数据包传输

4线同步发送，每根线发送一个字节的其中两个位，数据位在四线顺序排列发送，DAT3数据线发较高位，DAT0数据线发较低位。

另外一种数据包发送格式是宽位数据包格式，对SD卡而言宽位数据包发送方式是针对SD卡SSR(SD状态)寄存器内容发送的，SSR寄存器总共有512bit，在主机发出ACMD13命令后SD卡将SSR寄存器内容通过DAT线发送给主机。宽位数据包格式示意见图 367。

图 367 宽位数据包传输

36.3.3 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。

1.    命令格式

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），见图 368。

图 368 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。

2.    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。

另外，SD卡主机模块系统旨在为各种应用程序类型提供一个标准接口。在此环境中，需要有特定的客户/应用程序功能。为实现这些功能，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。

3.    命令描述

SD卡系统的命令被分为多个类，每个类支持一种"卡的功能设置"。表 362列举了SD卡部分命令信息，更多详细信息可以参考SD简易规格文件说明，表中填充位和保留位都必须被设置为0。

虽然没有必须完全记住每个命令详细信息，但越熟悉命令对后面编程理解非常有帮助。

表 362 SD部分命令描述

命令序号	类型	参数	响应	缩写	描述
基本命令(Class 0)
CMD0	bc	[31:0]填充位	-	GO_IDLE_STATE	复位所有的卡到idle状态。
CMD2	bcr	[31:0]填充位	R2	ALL_SEND_CID	通知所有卡通过CMD线返回CID值。
CMD3	bcr	[31:0]填充位	R6	SEND_RELATIVE_ADDR	通知所有卡发布新RCA。
CMD4	bc	[31:16]DSR[15:0]填充位	-	SET_DSR	编程所有卡的DSR。
CMD7	ac	[31:16]RCA[15:0]填充位	R1b	SELECT/DESELECT_CARD	选择/取消选择RCA地址卡。
CMD8	bcr	[31:12]保留位[11:8]VHS[7:0]检查模式	R7	SEND_IF_COND	发送SD卡接口条件，包含主机支持的电压信息，并询问卡是否支持。
CMD9	ac	[31:16]RCA[15:0]填充位	R2	SEND_CSD	选定卡通过CMD线发送CSD内容
CMD10	ac	[31:16]RCA[15:0]填充位	R2	SEND_CID	选定卡通过CMD线发送CID内容
CMD12	ac	[31:0]填充位	R1b	STOP_TRANSMISSION	强制卡停止传输
CMD13	ac	[31:16]RCA[15:0]填充位	R1	SEND_STATUS	选定卡通过CMD线发送它状态寄存器
CMD15	ac	[31:16]RCA[15:0]填充位	-	GO_INACTIVE_STATE	使选定卡进入"inactive"状态
面向块的读操作(Class 2)
CMD16	ac	[31:0]块长度	R1	SET_BLOCK_LEN	对于标准SD卡，设置块命令的长度，对于SDHC卡块命令长度固定为512字节。
CMD17	adtc	[31:0]数据地址	R1	READ_SINGLE_BLOCK	对于标准卡，读取SEL_BLOCK_LEN长度字节的块；对于SDHC卡，读取512字节的块。
CMD18	adtc	[31:0]数据地址	R1	READ_MULTIPLE_BLOCK	连续从SD卡读取数据块，直到被CMD12中断。块长度同CMD17。
面向块的写操作(Class 4)
CMD24	adtc	[31:0]数据地址	R1	WRITE_BLOCK	对于标准卡，写入SEL_BLOCK_LEN长度字节的块；对于SDHC卡，写入512字节的块。
CMD25	adtc	[31:0]数据地址	R1	WRITE_MILTIPLE_BLOCK	连续向SD卡写入数据块，直到被CMD12中断。每块长度同CMD17。
CMD27	adtc	[31:0]填充位	R1	PROGRAM_CSD	对CSD的可编程位进行编程
擦除命令(Class 5)
CMD32	ac	[31:0]数据地址	R1	ERASE_WR_BLK_START	设置擦除的起始块地址
CMD33	ac	[31:0]数据地址	R1	ERASE_WR_BLK_END	设置擦除的结束块地址
CMD38	ac	[31:0]填充位	R1b	ERASE	擦除预先选定的块
加锁命令(Class 7)