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STM32的SD卡读取

SD卡简介

本质是nandflash+控制芯片。SD卡系列有三种：SD卡，MiniSD卡和MicroSD卡（TF卡）。特点：容量大，高安全性，体积小，传输速率块，接口简单。

SD卡主要规格参数如图：

脚位数对应实卡的金手指数

SD卡 的存储结构：

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卡根据收到的命令要求对内部寄存器进行修改。

CID：卡标识寄存器，128bit

提供制造商ID，应用ID，产品名称，版本，序列号，制造日期等信息

RCA:相对卡地址寄存器，16bit，仅SDIO模式下有，初始化时动态地由卡建立，经主机核准

OCR：操作条件寄存器, 32bit

主要是SD卡的操作电压等信息，关注15~23位可以知道SD卡支持的电压范围，SD卡支持范围中相应位是置1的，还要关注30位的CCS，卡容量状态，为1是SDHC卡，为0是SDSC卡

SCR：SD配置寄存器，64比特

关注DAT Bus widths supported ,SD_BUS_WIDTHS位,设置有几根数据，0设置1位（DAT0），2设置4位（DAT0~3)，默认值是0

CSD：卡特定数据寄存器，128比特

提供SD卡操作条件相关信息和数据，主要看CSD_STRUCTURE位，可以区分版本，0是1.0版本，1是2.0版本

SD卡驱动方式

可通过SPI接口或者SDIO接口，不同接口SD卡引脚功能不一样。

SD卡引脚对应这两种接口的引脚功能定义：

TF卡8pin,SD卡9pin，TF卡只比SD卡少一个电源引脚。注：S电源，I输入，O推挽输出，PP复用推挽。SD卡和micorSD只有引脚和形状大小不同，内部结构是类似的，操作时序也完全相同，可以使用相同的代码驱动。

SDIO接口通信线：CLK/CMD/DAT0/DAT3/DAT1/DAT2

CMD：命令线，SDIO主机通过该线发送命令控制SD卡，若命令要求响应，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（SPI接口的MISO也有该特性）

SPI接口通信线：CLK/MOSI/MISO/CS

SD卡认识

SD卡命令和响应：

SD卡有多种命令和响应，他们的格式定义及含义在SD卡协议2.0的第三和第四章有详细介绍，发送命令时主机只能通过CMD引脚发送给SD卡，串行逐位发送时先发送最高位（MSB），然后是次高位这样类推。SD卡强制性类命令有，基本命令，块读取命令，块写入命令，擦除命令，加锁命令，特定于应用命令。

SD卡命令格式：

6个字节组成，固定48位，发送数据时高位在前。

起始位（47）固定0，停止位（0）固定是1，传输方向（46)为1表命令，0则表响应，注意使用SDIO 接口驱动，CRC7校验值必须正确，而SPI接口驱动，CRC7校验默认关闭即为伪CRC。

SD卡总共有12类命令，分为CLASS0~CLASS11。常用的命令有以下这些：

大部分的命令是初始化的时候用的，应用相关命令（ACMD），通用命令（CMD)，发送ACMD前需先发CMD55        

SD卡响应：

分短响应(48bit)和长响应(136bit),R1,R1b,R3,R6,R7属于短响应，R2属于长响应，五类响应

响应格式：举例SDIO接口下的R1响应

R1响应：通过40~45这6位（响应内容中的commandindex）可获知响应的是哪个命令

R2响应：通过1~127位，CID寄存器内容作为CMD2的响应，CSD寄存器内容作为CMD9的响应

R3响应:8~39位，OCR寄存器的值作为ACMD41的响应

R7响应：16~19位，专用于命令CMD8的响应，返回卡支持电压范围和检测模式

R6响应：24~39位，专用于命令CMD3的响应（RCA响应）卡相对地址

SD卡操作模式和卡状态：

无效模式，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），每个操作模式下SD卡都有几种状态。状态之间通过命令控制实现切换卡状态的切换

SD卡有两种数据模式，一种是常规的8位宽，即一次按一字节传输，另一种是一次按512字节传输

SD卡操作步骤

（1）SD初始化：

主机上电后所有卡处于空闲状态，主机也可通过CMD0软复位进入空闲状态（无效卡不会复位）

主机与SD卡通信之前需先确定双方在互相支持的电压范围内，SD卡有一个电压支持范围，主机当前电压必须在该范围可能才能与卡正常通信。空闲状态下发送CMD8用于验证卡接口操作条件的(主要是电压支持)，即主机给SD卡发其当前支持的工作电压，如果SD卡不支持主机电压就无响应返回空闲状态，还可用于区分卡类型因为CMD8是SD卡标准V2.0版本才有的新命令，所以如果主机有接收到响应，可以判断卡为V2.0或更高版本SD卡

空闲状态下发ACMD41主机看SD卡的OCR寄存器。对于对CMD8有响应的卡，把ACMD41命令的HCS位设置为1，可以测试卡的容量类型，如果卡响应（R3响应）的CCS位为1说明为高容量SD卡，否则为标准卡。卡在响应ACMD41之后进入准备状态，不响应ACMD41的卡为不可用卡，进入无效状态。ACMD41是应用特定命令，发送该命令之前必须先发CMD55。对COM8不响应的卡在发CMD55时如果不支持CMD55可说明为MMC卡或不能识别卡此时可再发CMD1命令激活MMC卡如果有响应则为MMC卡，CMD55有响应为V1.0版本卡。

准备状态下发送CMD2获取卡（V1.x卡或V2.0卡）的CID寄存器，处于准备状态的卡在发送CID之后就进入识别状态，卡识别模式，之后主机就发送CMD3获取卡相对地址，卡在接收到CMD3并发出响应后就进入数据传输模式，并处于待机状态，主机在获取所有卡RCA之后也进入数据传输模式。对SD卡读写之前需要识别卡的种类

CMD7用于选卡，卡在待机状态下还不能进行数据通信，因为总线上可能有多个卡都是处于待机状态，必须选择一个RCA地址目标卡使其进入传输状态才可以进行数据通信。如果主机发送读操作命令，卡会进入发送数据状态，传输完成或者发CMD12中止会回到传输状态，写则是数据接收状态，还会进入编程状态，因为SD卡写前要预擦除，编程完可发CMD7取消卡进入卡断开连接状态，然后再进入待机状态。

（2）写操作：

SD卡单块数据块写入流程：发送CMD16指令设置数据块大小，发送CMD13指令查询卡状态，等待READY_FOR_DATA位=1，发送CMD2指令开始写入数据，写一个数据块的数据。

SD卡多块数据块写入流程：发送CMD16指令设置数据块大小，发送ACMD23指令预擦除数据块，发送CMD25指令开始写数据块，写入第一个数据块的数据~第N个数据块的数据，发送 CMD12指令结束数据块写入，发送CMD13指令查询卡状态，等待SD卡写入过程结束，完成多块多块数据的写入。

（3）读操作：

SD卡单块数据块读取流程：发送CMD16指令设置数据块大小，等待CMD16的R1响应，发送CMD17指令开始读数据块，等待CMD17响应R1，读一个数据块的数据

SD卡多块数据读取流程：发送CMD16等待响应，发送CMD18指令等待响应，读第一个数据块的数据~读第n个数据块的数据，发送CMD12指令结束数据块读取等待CMD12响应R1，结束多块数据块读取。

SDIO接口简介

SDIO，全称为安全数字输入/输出接口，多媒体卡（MMC卡），SD存储卡都有SDIO设备。

SDIO框图：

STM32F1的SDIO控制器包含2个部分：SDIO适配器和AHB总线接口，其功能框图如图

SDIO适配器提供SD卡特有功能：产生时钟，发送命令，接收响应，双向数据传输

SDIO适配器里边有控制单元，负责电源管理和时钟管理功能。

有命令通道:控制命令发送并接收响应，有命令通道状态机（CPSM）

数据通道：负责主机和卡之间传输数据，有数据通道状态机（DPSM）

数据FIFO，具有发送和接收数据缓冲器。TXACT和RXACT标志表明当前发送还是接收状态。读空FIFO后继续读会下溢，写满FIFO后继续写会上溢，可以开启硬件流控解决这个问题。

SDIO时钟：

从框图可看出，有三个时钟。

卡时钟（SDIO_CK）：SD卡是指频率可以在0MHz至25MHz间变化，通信时钟，每个时钟周期在命令和数据线上传输1位命令或数据。计算公式：SDIO_CK=SDIOCLK/（2+CLKDIV）。注意：在SD卡刚刚初始化的时候，其时钟频率（SDIO_CK）是不能超过400Khz的，否则可能无法完成初始化。在初始化以后，就可以设置时钟频率到最大了（但不可超过SD 卡的最大操作时钟频率）。复位后默认情况下SDIO_D0用于数据传输。初始化后主机可以改变数据总线的宽度（通过ACMD6命令设置）。

SDIO适配器时钟（SDIOCLK）：

该时钟用于驱动 SDIO 适配器，其频率等于 48MHz，并用于产生 SDIO_CK 时钟

AHB总线时钟（HCLK/2)：该时钟用于驱动SDIO的AHB总线接口

SDIO命令与响应

SDIO命令格式：

SDIO 的命令分为应用相关命令（ACMD）和通用命令（CMD）两部分，应用相关命令（ACMD）

的发送，必须先发送通用命令（CMD55），然后才能发送应用相关命令（ACMD）。

所有的命令都是由 STM32F1 发出，其中开始位、传输位、CRC7 和结束位由 SDIO 硬件控

制，我们需要设置的就只有命令索引和参数部分。命令索引在SDIO_CMD寄存器里面设置，命令参数则由寄存器SDIO_ARG设置

SDIO响应格式：

短响应的：

命令索引存放在SDIO_RESPCMD寄存器，参数则存放在SDIO_RESP1寄存器里面。在收到 R1 响应后，我们可以从 SDIO_RESPCMD 寄存器和 SDIO_RESP1 寄存器分别读出 命令索引和卡状态信息。

长响应的：

则仅留CID/CSD位域，存放在SDIO_RESP1~SDIO_RESP4等4个寄存器。

SDIO数据传输：

对于 SDI/SDIO 存储器，数据是以数据块的形式传输的，而对于 MMC 卡，数据是以数据块或者数据流的形式传输。

SDIO（多）数据块读操作：

SDIO（多）数据块写操作：

数据块写操作同数据块读操作基本类似，只是数据块写的时候，多了一个繁忙判断，新的

数据块必须在 SD 卡非繁忙的时候发送。这里的繁忙信号由 SD 卡拉低 SDIO_D0，以表示繁忙，

SDIO 硬件自动控制，不需要我们软件处理。

SDIO适配器寄存器

SDIO电源控制寄存器（SDIO_POWER）：

让SDIO上电，开启卡时钟

SDIO时钟控制寄存器（SDIO_CLKCR）：

当SDIO_CK频率过快时可能会导致SD卡失败，此时建议降低频率试试

SDIO命令寄存器（SDIO_CMD）：

一般都开启CPSM（命令状态机），位6，7按需设置

SDIO命令响应寄存器（SDIO_RESPCMD）：

该寄存器为32位，但只有低6位有效用于存储最后收到的命令响应中的命令索引

SDIO响应寄存器组（SDIO_RESP1~SDIO_RESP4）：

共由 4 个 32 位寄存器组成，用于存放接收到的卡响应部分信息

SDIO数据定时器寄存器（SDIO_DTIMER）:

用于存储以卡总线时钟（SDIO_CK）为周期的数据超时时间，一个计数器将从SDIO_DTIMER寄存器加载数值，并在数据通道状态机(DPSM)进入Wait_R或繁忙状态时进行递减计数，当DPSM处在这些状态时，如果计数器减为0，则设置超时标志

SDIO数据长度寄存器（SDIO_DLEN）:

低25位有效，用于设置需要传输的数据字节长度

SDIO数据控制寄存器（SDIO_DCTRL）：

SDIO状态寄存器（STA）：

SDIO数据FIFO寄存器（SDIO_FIFO）：

数据 FIFO 寄存器包括接收和发送 FIFO，由一组连续的 32 个地址上的 32 个寄存器组成。我们要从 SD 卡读数据，就必须读 SDIO_FIFO寄存器，要写数据到 SD 卡，则要写 SDIO_FIFO 寄存器。SDIO 将这 32 个地址分为 16 个一组， 发送接收各占一半。我们每次读写的时候，最多就是读取发送 FIFO 或写入接收 FIFO 的一半 大小的数据，也就是 8 个字（32 个字节），这里特别提醒，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：

__HSL_RCC_SDIO_CLK_ENABLE  用于SDIO时钟使能

HAL_SD_Init,HAL_SD_Msplint用于初始SD卡和SDIO的底层硬件

HAL_SD_ConfigWideBusOperation用于配置总线宽度

HAL_SD_ReadBlocks 读取块数据

HAL_SD_WriteBlocks  写入块数据

SDIO_SendCommand函数用于发送，SDIO_GetResponse用于接收响应

SDIO外设相关结构体：

SD_InitTypeDef,SDIO_CmdInitTypedef,SDIO_DataInitTypeDef,Hal_SD_CardInfoTypeDef

驱动文件：halsd.c封装初始化，读写，擦除等驱动接口操作

halsdmmc对接SDIO寄存器与SD卡通信

代码部分：

SD卡初始化：

SD_HandleTypeDef        SDCARD_Handler;     		//SD卡句柄
HAL_SD_CardInfoTypeDef  SDCardInfo;                 //SD卡信息结构体
//SD卡初始化
//返回值:0 初始化正确；其他值，初始化错误
u8 SD_Init(void)
{
    u8 SD_Error;
    
    //初始化时的时钟不能大于400KHZ 
    SDCARD_Handler.Instance=SDIO;
    SDCARD_Handler.Init.ClockEdge=SDIO_CLOCK_EDGE_RISING;          		//上升沿     
    SDCARD_Handler.Init.ClockBypass=SDIO_CLOCK_BYPASS_DISABLE;     		//不使用bypass模式，直接用HCLK进行分频得到SDIO_CK
    SDCARD_Handler.Init.ClockPowerSave=SDIO_CLOCK_POWER_SAVE_DISABLE;   //空闲时不关闭时钟电源
    SDCARD_Handler.Init.BusWide=SDIO_BUS_WIDE_1B;                       //1位数据线
    SDCARD_Handler.Init.HardwareFlowControl=SDIO_HARDWARE_FLOW_CONTROL_ENABLE;//开启硬件流控
    SDCARD_Handler.Init.ClockDiv=SDIO_TRANSFER_CLK_DIV;            		//SD传输时钟频率最大25MHZ
	
    SD_Error=HAL_SD_Init(&SDCARD_Handler);
    if(SD_Error!=HAL_OK) return 1;
	
    SD_Error=HAL_SD_ConfigWideBusOperation(&SDCARD_Handler,SDIO_BUS_WIDE_4B);//使能宽总线模式
    if(SD_Error!=HAL_OK) return 2;
    return 0;
}
//SDMMC底层驱动，时钟使能，引脚配置，DMA配置
//此函数会被HAL_SD_Init()调用
//hsd:SD卡句柄
void HAL_SD_MspInit(SD_HandleTypeDef *hsd)
{
//    DMA_HandleTypeDef TxDMAHandler,RxDMAHandler;
    GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
    
    __HAL_RCC_SDIO_CLK_ENABLE();    //使能SDIO时钟
//    __HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();    //使能DMA2时钟 
    __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();   //使能GPIOC时钟
    __HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();   //使能GPIOD时钟
    
    //PC8,9,10,11,12
    GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_8|GPIO_PIN_9|GPIO_PIN_10|GPIO_PIN_11|GPIO_PIN_12;
    GPIO_Initure.Mode=GPIO_MODE_AF_PP;      //推挽复用
    GPIO_Initure.Pull=GPIO_PULLUP;          //上拉
    GPIO_Initure.Speed=GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;//高速
    HAL_GPIO_Init(GPIOC,&GPIO_Initure);     //初始化
    
    //PD2
    GPIO_Initure.Pin=GPIO_PIN_2;            
    HAL_GPIO_Init(GPIOD,&GPIO_Initure);     //初始化
}

判断SD卡是否可以传输数据：

#define SD_TRANSFER_OK     	((uint8_t)0x00)
#define SD_TRANSFER_BUSY   	((uint8_t)0x01) 
//判断SD卡是否可以传输(读写)数据
//返回值:SD_TRANSFER_OK 传输完成，可以继续下一次传输
//		 SD_TRANSFER_BUSY SD卡正忙，不可以进行下一次传输
u8 SD_GetCardState(void)
{
  return((HAL_SD_GetCardState(&SDCARD_Handler)==HAL_SD_CARD_TRANSFER )?SD_TRANSFER_OK:SD_TRANSFER_BUSY);
}

获取卡信息：

//得到卡信息
//cardinfo:卡信息存储区
//返回值:错误状态
u8 SD_GetCardInfo(HAL_SD_CardInfoTypeDef *cardinfo)
{
    u8 sta;
    sta=HAL_SD_GetCardInfo(&SDCARD_Handler,cardinfo);
    return sta;
}

读SD卡：

#define SD_TIMEOUT 			((uint32_t)100000000)  	//超时时间
//SD_ReadDisk/SD_WriteDisk函数专用buf,当这两个函数的数据缓存区地址不是4字节对齐的时候,
//需要用到该数组,确保数据缓存区地址是4字节对齐的.
__align(4) u8 SDIO_DATA_BUFFER[512];
//读SD卡
//buf:读数据缓存区
//sector:扇区地址
//cnt:扇区个数	
//返回值:错误状态;0,正常;其他,错误代码;
u8 SD_ReadDisk(u8* buf,u32 sector,u32 cnt)
{
    u8 sta=HAL_OK;
	u32 timeout=SD_TIMEOUT;
	long long lsector=sector;
    INTX_DISABLE();//关闭总中断(POLLING模式,严禁中断打断SDIO读写操作!!!)
	sta=HAL_SD_ReadBlocks(&SDCARD_Handler, (uint8_t*)buf,lsector,cnt,SD_TIMEOUT);//多个sector的读操作
	
	//等待SD卡读完
	while(SD_GetCardState()!=SD_TRANSFER_OK)
    {
		if(timeout-- == 0)
		{	
			sta=SD_TRANSFER_BUSY;
		}
    }
    INTX_ENABLE();//开启总中断
    return sta;
}
//关闭所有中断
void INTX_DISABLE(void)
{		  
	__ASM volatile("cpsid i");
}
//开启所有中断
void INTX_ENABLE(void)
{
	__ASM volatile("cpsie i");		  
}

写SD卡：

//写SD卡
//buf:写数据缓存区
//sector:扇区地址
//cnt:扇区个数	
//返回值:错误状态;0,正常;其他,错误代码;	
u8 SD_WriteDisk(u8 *buf,u32 sector,u32 cnt)
{   
    u8 sta=HAL_OK;
	u32 timeout=SD_TIMEOUT;
	long long lsector=sector;
    INTX_DISABLE();//关闭总中断(POLLING模式,严禁中断打断SDIO读写操作!!!)
	sta=HAL_SD_WriteBlocks(&SDCARD_Handler,(uint8_t*)buf,lsector,cnt,SD_TIMEOUT);//多个sector的写操作

	//等待SD卡写完
	while(SD_GetCardState()!=SD_TRANSFER_OK)
    {
		if(timeout-- == 0)
		{	
			sta=SD_TRANSFER_BUSY;
		}
    }    
	INTX_ENABLE();//开启总中断
    return sta;
}

作者：白菜小周

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