STM32F1的SD卡实验

最新推荐文章于 2025-03-18 14:00:00 发布

小虫豆子2号

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分类专栏： stm32单片机学习文章标签： stm32 嵌入式硬件单片机

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本实验我们使用SDIO协议驱动SD卡，SPI协议也可以驱动SD卡（MINI版）

SD卡简介

SD卡，Secure Digital Card，称为安全数字卡（安全数码卡），本质上就是：nand flash + 控制芯片

SD卡

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CLK：时钟线，由SDIO主机产生，由STM32微控制器SDIO外设输出
CMD：命令线，SDIO主机通过该线发送命令控制SD卡，若命令要求SD卡响应，
SD卡也是通过该线传输响应信息。
DAT0~3：数据线，用于接收或发送数据；SD卡可将DAT0拉低表示处于忙状态
注意：SPI接口的MISO也有该特性

Micro SD卡（又称为TF卡）

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SD卡和TF卡只有引脚和形状大小不同，内部结构类似，操作时序完全相同，可用完全相同的代码驱动

SD卡容量等级

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SD卡寄存器

SD卡有8个寄存器，但不能直接进行读写操作，需要通过命令来控制。SD卡协议定义了一些命令用于实现某一特定功能，SD卡根据收到的命令要求对内部寄存器进行修改。

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OCR寄存器

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SDIO模式下的SD卡常用命令

数据，命令传输

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命令：应用相关命令(ACMD)和通用命令(CMD)，通过命令线CMD传输，固定长度48位
响应：SD卡接收到命令，会有一个响应，用来反应SD卡状态。有2种响应类型：短响应(48位，格式与命令一样)和长响应(136位)。
数据：主机发送的数据 / SD发送的数据。SD数据是以块(Block)形式传输，SDHC卡数据块长度一般为512字节。数据块需要CRC保证数据传输成功。

命令和响应分类

命令格式

在这里插入图片描述
Byte1：命令字的第一个字节为命令号（如CMD0、CMD1等），格式为“0 1 x x x x x x”
Byte2~Byte5：命令参数，有些命令参数是保留位，没有定义参数的内容，保留位应设置为0
Byte6：用于校验命令传输内容正确性，前7位为CRC(循环冗余校验)校验位，最后一位为停止位0

命令分类

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响应

SD卡和单片机的通信采用发送应答机制。
每发送一个命令，SD卡都会给出一个应答，以告知主机该命令的执行情况，或者返回主机需要获取的数据。使用SDIO接口时，响应通过CMD线传输。
SD卡响应因使用接口不同，格式也不同。响应具体有R1、R1b、R2、R3、R7。
响应内容大小可以分为短响应48bit和长响应136bit。
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SD卡操作步骤

SD卡操作模式

在SD卡系统(主机和SD卡)定义了两种操作模式：卡识别模式（识别总线上的SD卡类型）和数据传输模式（读写操作）。
（卡识别模式在SD卡初始化之后）
系统复位后，主机和SD卡都处于卡识别模式，主机在总线上找设备；当SD卡被主机识别后，SD卡进入到数据传输模式，而主机在总线上所有卡都被识别后也进入数据传输模式。
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SDIO接口介绍

SDIO，全称 Secure Digital Input and Output，即安全数字输入输出接口。
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SDIO框图介绍

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SDIO_CK：
由SDIO适配器中的时钟产生器在外部引脚输出的通信时钟信号
不同总线协议，最高时钟频率不同每个时钟脉冲传输的是命令或数据
SDIOCLK
SDIO适配器的工作时钟：48MHz来自主PLL的独立输出，和PLLCLK独立
HCLK/2 或 PCLK2
CPU以此时钟访问SDIO外设寄存器AHB总线接口时钟(HCLK/2)，36MHz APB2总线接口时钟(PCLK2)，84(F407) / 90(F429)MHz
SDIO_CK = SDIOCLK / (2 + CLKDIV)
注意：SD卡初始化时，SDIO_CK不可超过400KHz；
初始化完成后，可设为最大(不可超过SD卡最大操作频率25MHz)并可更改数据总线宽度(默认只用SDIO_D0进行初始化)

SDIO适配器

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控制单元：电源管理和时钟管理功能
命令通道：控制命令发送并接收响应
命令通道状态机(CPSM)：
数据通道：负责主机和卡之间传输数据
数据通道状态机(DPSM)
数据FIFO：具有发送和接收数据缓冲器
数据FIFO
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SDIO寄存器

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SDIO_POWER

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SDIO时钟控制寄存器（SDIO_CLKCR）

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SDIO参数寄存器（SDIO_ARG）

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SDIO命令寄存器（SDIO_CMD）

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一般情况下，开启CPSM，即设置1

发送CMD1，其值为1，索引就设置为1

SDIO命令响应寄存器（SDIO_RESPCMD）

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SDIO响应1到4寄存器（SDIO_RESP1到4）

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SDIO数据长度寄存器（SDIO_DLEN）

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对于块数据传输，该寄存器值必须是数据块长度的倍数。

SDIO数据控制寄存器（SDIO_DCTRL）

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SDIO状态寄存器（SDIO_STA）

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SDIO数据FIFO寄存器（SDIO_FIFO）

接收和发送FIFO是32位宽度读或写一组寄存器，它在连续的32个地址上包含32个寄存器，CPU可以使用FIFO读写多个操作数。
在这里插入图片描述

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。

SDIO相关HAL库驱动

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HAL_StatusTypeDef HAL_SD_ReadBlocks(SD_HandleTypeDef *hsd, 	/* 句柄结构体指针变量*/
								      uint8_t *pData,	/* 接收数据的缓冲地址 */
								      uint32_t BlockAdd,	/* 要读取的扇区地址 */
								      uint32_t NumberOfBlocks,/* 要读取的扇区数 */
								      uint32_t Timeout		/* 传输过程超时时间 */
)
//这里512个字节表示一个扇区。
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_ReadBlocks(SD_HandleTypeDef *hsd, 	/* 句柄结构体指针变量*/
								      uint8_t *pData,	/* 接收数据的缓冲地址 */
								      uint32_t BlockAdd,	/* 要读取的扇区地址 */
								      uint32_t NumberOfBlocks,/* 要读取的扇区数 */
								      uint32_t Timeout		/* 传输过程超时时间 */
)

SDIO驱动SD卡步骤

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F1SD卡电路图
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实验源码（编写SDIO驱动SD卡源码）

sdio_sdcard.c

#include "string.h"
#include "./SYSTEM/usart/usart.h"
#include "./BSP/SDIO/sdio_sdcard.h"

SD_HandleTypeDef g_sdcard_handler;              /* SD¿¨¾ä±ú */

/**
 * @brief       ³õÊ¼»¯SD¿¨
 * @param       ÎÞ
 * @retval      ·µ»ØÖµ:0 ³õÊ¼»¯ÕýÈ·£»ÆäËûÖµ£¬³õÊ¼»¯´íÎó
 */
uint8_t sd_init(void)
{
    uint8_t SD_Error;
    
    g_sdcard_handler.Instance = SDIO;
    g_sdcard_handler.Init.ClockEdge = SDIO_CLOCK_EDGE_RISING;//ÊÇ·ñÊ¹ÓÃÉÏÉýÑØ
    g_sdcard_handler.Init.ClockBypass = SDIO_CLOCK_BYPASS_DISABLE;//ÊÇ·ñÊ¹ÓÃÅÔÂ·
    g_sdcard_handler.Init.ClockPowerSave = SDIO_CLOCK_POWER_SAVE_DISABLE;
    g_sdcard_handler.Init.BusWide = SDIO_BUS_WIDE_1B;
    g_sdcard_handler.Init.HardwareFlowControl = SDIO_HARDWARE_FLOW_CONTROL_ENABLE;
    g_sdcard_handler.Init.ClockDiv = SDIO_TRANSFER_CLK_DIV;

    SD_Error = HAL_SD_Init(&g_sdcard_handler);
    
    if (SD_Error != HAL_OK)
    {
        return 1;
    }

    return 0;
}

/**
 * @brief       SDIOµ×²ãÇý¶¯£¬Ê±ÖÓÊ¹ÄÜ£¬Òý½ÅÅäÖÃ
                ´Ëº¯Êý»á±»HAL_SD_Init()µ÷ÓÃ
 * @param       hsd:SD¿¨¾ä±ú
 * @retval      ÎÞ
 */
void HAL_SD_MspInit(SD_HandleTypeDef *hsd)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_init_struct;

    __HAL_RCC_SDIO_CLK_ENABLE();    /* Ê¹ÄÜSDIOÊ±ÖÓ */
    SD_D0_GPIO_CLK_ENABLE();        /* D0Òý½ÅIOÊ±ÖÓÊ¹ÄÜ */
    SD_D1_GPIO_CLK_ENABLE();        /* D1Òý½ÅIOÊ±ÖÓÊ¹ÄÜ */
    SD_D2_GPIO_CLK_ENABLE();        /* D2Òý½ÅIOÊ±ÖÓÊ¹ÄÜ */
    SD_D3_GPIO_CLK_ENABLE();        /* D3Òý½ÅIOÊ±ÖÓÊ¹ÄÜ */
    SD_CLK_GPIO_CLK_ENABLE();       /* CLKÒý½ÅIOÊ±ÖÓÊ¹ÄÜ */
    SD_CMD_GPIO_CLK_ENABLE();       /* CMDÒý½ÅIOÊ±ÖÓÊ¹ÄÜ */

    gpio_init_struct.Pin = SD_D0_GPIO_PIN;
    gpio_init_struct.Mode = GPIO_MODE_AF_PP;            /* ÍÆÍì¸´ÓÃ */
    gpio_init_struct.Pull = GPIO_PULLUP;                /* ÉÏÀ */
    gpio_init_struct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;      /* ¸ßËÙ */
    HAL_GPIO_Init(SD_D0_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);  /* ³õÊ¼»¯D0Òý½Å */

    gpio_init_struct.Pin = SD_D1_GPIO_PIN;
    HAL_GPIO_Init(SD_D1_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);  /* ³õÊ¼»¯D1Òý½Å */
    
    gpio_init_struct.Pin = SD_D2_GPIO_PIN;
    HAL_GPIO_Init(SD_D2_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);  /* ³õÊ¼»¯D2Òý½Å */

    gpio_init_struct.Pin = SD_D3_GPIO_PIN;
    HAL_GPIO_Init(SD_D3_GPIO_PORT, &gpio_init_struct);  /* ³õÊ¼»¯D3Òý½Å */

    gpio_init_struct.Pin = SD_CLK_GPIO_PIN;
    HAL_GPIO_Init(SD_CLK_GPIO_PORT, &gpio_init_struct); /* ³õÊ¼»¯CLKÒý½Å */

    gpio_init_struct.Pin = SD_CMD_GPIO_PIN;
    HAL_GPIO_Init(SD_CMD_GPIO_PORT, &gpio_init_struct); /* ³õÊ¼»¯CMDÒý½Å */
}

main.c


    while (1)
    {
        key = key_scan(0);

        if (key == KEY0_PRES)
        {
            operation_ret =  HAL_SD_ReadBlocks(&g_sdcard_handler, (uint8_t *)rec_buf, 0, 1, SD_TIMEOUT);
            
            for (uint16_t i = 0; i < 512; i++)
            {
                printf("%x ", rec_buf[i]);
            }
            printf("READ DATA OK \r\n");
        }
        
        if (key == KEY1_PRES)
        {
            for (uint16_t i = 0; i < 512; i++)
            {
                send_buf[i] = i;
                printf("%x ", send_buf[i]);
            }
            
            operation_ret =  HAL_SD_WriteBlocks(&g_sdcard_handler, (uint8_t *)send_buf, 0, 1, SD_TIMEOUT);
            printf("SEND DATA OK \r\n");
        }
   }