详解STM32之SD卡

控制/MCU

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描述

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一、SD卡概述

  1、定义

  2、容量等级

  3、SD卡框图

  4、SD卡与TF卡的区别

二、 SD卡内部结构

  1、 SD卡内部结构简图

  2、 存储阵列结构图

  3、Buffer 

  4、“存储阵列Block”--最小的存储单元

  5、SD卡的特殊功能寄存器

三、SDIO接口 

四、SD卡协议的核心--数据读、写、擦除

  1、SD卡写数据块

  2、SD卡读数据块 

  3、擦除SD卡

五、SD卡物理层协议

  1、接口 

  2、命令格式

  3、响应格式

  4、SD卡的工作状态

  5、SD卡的两种状态信息

六、STM32与SD卡相配的外设--SDIO适配器

  1、SDIO adapter 结构图 

  2、命令状态机(CPSM)

  3、数据通道状态机(DPSM)

  4、SDIO的FIFO 

  5、SDIO的特殊功能寄存器

七、SD卡编程 

  1、SD卡编程的内容

  2、SD卡初始化 

  3、读SD卡的一个块

  4、写SD卡的一个块 

八、SD卡疑惑

  1、SD卡擦除后,其中的内容是0,还是1 ? 

  2、在SDIO_DCTRL中设置传输Block的要求

    3、STM32固件库“stm32_eval_sdio_sd.c version v4.5.0”偶遇BUG

    4、SD卡写Block是怎样进行的?

九、SD卡参数测试

一、SD卡概述

1、定义

  SD卡(安全数码卡),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(外语缩写PDA)和多媒体播放器等。

2、容量等级

容量等级 容量范围 磁盘格式
SD 上限至2GB FAT 12, 16
SDHC 2GB至 32GB FAT 32
SDXC 32GB至2TB exFAT

3、SD卡框图

SD卡

 引脚说明:

SD卡

4、SD卡与TF卡的区别

  TF卡又名micro SD卡,个头是比SD卡的1/4还小,可以通过“TF转SD卡套”转换成SD卡。

  详细区别参考:SD卡与TF卡的区别  

二、 SD卡内部结构

  (摘自SanDisk Secure Digital Card Product Manual Version 1.9)

1、 SD卡内部结构简图

   由SD卡控制器和存储阵列组成,SD卡与外界的通讯接口是SD Bus或者SPI Bus。

SD卡

2、 存储阵列结构图

SD卡

Block:      

  读写时的单元(数据传输单元),它的单位是“字节”。

Sector:     

  如果CSD寄存器ERASE_BLK_EN = 0时,Sector是最小的擦除单元,它的单位是“块”。Sector的值等于CSD寄存器中的SECTOR_SIZE的值+1。

WP Group:   

  最小的写保护单元,它的单位是“扇区”。

3、Buffer

SD卡

  SD Card的Buffer最大容量定义在CSD寄存器的READ_BL_LEN和WRITE_BL_LEN。它们的值是一样的,而且有可能超过512字节,尽管这样Block还是要设置成512字节,因为512字节是数据边界(这句话不是太理解)。也就是SD卡上有数据传输缓冲器Buffer,不同的产品可能不一样,但是在使用时要将Buffer设置成512字节。

4、“存储阵列Block”--最小的存储单元

  资料上的Block通通指的是数据传输时的最小单元,定义这个数值是为了数据传输、CRC校验等。

  存储阵列通常采用NandFlash的结构,显然不能按字节存取,而这里讨论的“存储阵列Block”就是指这个概念。可惜的是目前,我还没有找到资料讨论这个问题,所以这一章节是笔者自己的推测。

  据我推测存储阵列Block应该是512Byes,因为众多的数据都围绕着512Bytes在转。比如说最小的擦除单元是512Byes,最小的读写单位应该被设置成512Bytes,那么有理由推测是这个数值。

5、SD卡特殊功能寄存器

CID:  宽度128位,卡标识号

RCA:  宽度16位,卡相对地址,在初始化的时候确定

CSD:  宽度128位,卡描述数据:卡操作条件的信息

SCR:  宽度64位,SD卡配置寄存器:SD卡特定信息数据

OCR:  宽度32位,操作条件寄存

三、SDIO接口

SD卡

四、SD卡协议之数据读、写、擦除

1、SD卡写数据块 

  执行写数据块命令(CMD24-27) 时,主机把一个或多个数据块从主机传送到卡中,同时在每个数据块的末尾传送一个CRC码。主机传送数据,SD卡接收数据并将数据保存在Buffer中,累计接收数据达到Block长度的时候,SD卡把接下来的数据当做CRC校验码,并且开始数据校验。如果CRC校验错误,卡通过SDIO_D 线指示错误,传送的数据被丢弃而不被写入,所有后续(在多块写模式下)传送的数据块将被忽略。

     如果主机传送部分数据而累计的数据长度未与数据块对齐,当不允许块错位( 未设置CSD的参数WRITE_BLK_MISALIGN),卡将在第一个错位的块之前检测到块错位错误( 设置状态寄存器中的ADDRESS_ERROR 错误位) 。当主机试图写一个写保护区域时,写操作也会被中止,此时卡会设置WP_VIOLATION位。 

  数据块Block的最大长度定义在CSD中的WRITE_BL_LEN,但是在数据传输时应该用CMD16指令将其设置为512Byets,不去在意WRITE_BL_LEN是1024或者2048Bytes。

  另外需要注意的是,Block的长度设置还要参考CSD寄存器的WRITE_BL_PARTIAL。当WRITE_BL_PARTIAL为0时,那么么办法Block只能设置为512Bytes;如果WRITE_BL_PARTIAL=1,那么允许将Block设置成更小的块,比如说一个字节。协议是这样规定的,但是据我分析如果这样的话SD卡的制作会非常复杂(写入的单位可以是字节),价格也会很高。笔者测试了自己的SD卡,WRITE_BL_PARTIAL 等于0,也就是不支持“块部分写”功能。 

2、SD卡读数据块

  在读数据块模式下,数据传输的基本单元是数据块Block。为保证数据传输的正确,传输一个数据块Blcok后都有一个CRC校验码。笔者认为主机在累计接收到Block长度数据后,软件可以把接下来的数据当做CRC校验码,并且进行校验。

  Block的最大值在CSD中(READ_BL_LEN) 给出了定义,但是在数据传输时应该用CMD16指令将其设置为512Byets,不去在意READ_BL_LEN是1024或者2048Bytes。

  如果CSD寄存器中的READ_BL_PARTIAL等于1,可以传送的较小数据块,较小数据块是指开始和结束地址完全包含在一个物理块中。事实上,协议规定READ_BL_PARTIAL永远等于1,也就说在任何SD卡上都允许“读部分块”,读的块的最小字节是1Bytes。使用这种功能,可以通过CMD16命令设置更小的Block(比如说等于128)。读取的这128字节必须在512Bytes边界内,不能跨越边界(其实因为存储阵列是以512Bytes为单位的,读取“部分块”只能在一个块内,不允许跨块读)。

3、擦除SD卡

  CSD寄存器ERASE_BLK_EN决定了SD卡的最小擦除单位。

  当ERASE_BLK_EN等于0的时候,主机擦除的最小单位是扇区。比如一个Sector包含32个Block,擦除时的起始地址是5,而结束地址是40,那么实际擦除的块是从0到63。

SD卡

  当ERASE_BLK_EN等于1的时候,主机擦除的最小单位是512 Byetes。比如擦除时的起始地址是5,而结束地址是40,那么实际擦除的块就是从5到40。

SD卡

五、SD卡物理层协议

  SD卡的协议相对于SPI、I2C等协议的存储器来说相对复杂,包含SD卡物理层(机械封装、管脚、芯片结构、命令集等)、SD卡接口(SDIO)、SD主机控制器,甚至是软件设计的流程,都进行了详细的规定。

1、接口

① SDIO接口

SD卡

<1> CLK 时钟同步线

<2> CMD 命令信号线,主机发出的命令以及从机对命令的响应都是通过这条线进行传输

<3> DAT[3:0] 表示4条数据线,主机和从机的数据都是从这四条数据线上传输

② SPI接口

SD卡

2、命令格式

SD卡

3、响应格式

  以R1为例

SD卡

4、SD卡的工作状态

SD卡

5、SD卡的两种状态信息

① Card Status

  执行命令过程中的状态信息,比如地址不对齐错误、块长度错误、卡锁、ECC校验错误等等

② SD Status

  SD卡的专有特征,编程中不经常涉及。这个状态值有512位,不是通过命令线传送给主机,而是通过数据线。

六、STM32与SD卡相配的外设--SDIO适配器

 1、SDIO adapter 结构图

SD卡

2、命令状态机(CPSM)

  当发送命令和接收响应时,启动CPSM状态机。

SD卡

3、数据通道状态机

  当传输数据时,启动数据通道状态机。

SD卡

4、FIFO

  有关FIFO的资料参考:异步FIFO的FPGA实现

  数据FIFO(先进先出)子单元是一个具有发送和接收单元的数据缓冲区。

  FIFO包含一个每字32位宽、共32个字的数据缓冲区,和发送与接收电路。因为数据FIFO工作在AHB 时钟区域(HCLK/2),所有与SDIO时钟区域(SDIOCLK)连接的信号都进行了重新同步。依据TXACT和RXACT标志,可以关闭FIFO、使能发送或使能接收。TXACT和RXACT 由数据通道子单元设置而且是互斥的:

    ─ 当 TXACT 有效时,发送 FIFO 代表发送电路和数据缓冲区
    ─ 当 RXACT 有效时,接收 FIFO 代表接收电路和数据缓冲区

5、SDIO的特殊功能寄存器

SDIO电源控制寄存器(SDIO_POWER)

SDIO时钟控制寄存器(SDIO_CLKCR) : 时钟选择、分频

SDIO参数寄存器(SDIO_ARG)

SDIO命令寄存器(SDIO_CMD):控制发送命令

SDIO命令响应寄存器(SDIO_RESPCMD):包含响应命令中的命令索引

SDIO响应1..4寄存器(SDIO_RESPx):包含响应命令中的卡状态信息

SDIO数据定时器寄存器(SDIO_DTIMER)

SDIO数据长度寄存器(SDIO_DLEN):读或者写的长度,通常是是512的倍数

SDIO数据控制寄存器(SDIO_DCTRL):控制数据的读写方向、使能传输等信息

SDIO数据计数器寄存器(SDIO_DCOUNT):当DPSM状态机从Idle state切换到Wait_R或者Wait_S状态时,SDIO_LEN的数值加载到该寄存器中

SDIO状态寄存器(SDIO_STA)

SDIO清除中断寄存器(SDIO_ICR)

SDIO中断屏蔽寄存器(SDIO_MASK)

SDIO FIFO计数器寄存器(SDIO_FIFOCNT):当SDIO_DCTRL中的DTEN使能,并且DPSM处于Idle state时,SDIO_LEN/4的数值加载到该寄存器中

SDIO数据FIFO寄存器(SDIO_FIFO):读写数据缓冲FIFO

七、SD卡编程

  SD卡的编程在STM32官方固件库中就有例程,而且野火开发板对该例程进行了中文注释,不必再把源码贴入。这里着重讲一下SD卡编程流程,主要包含SD卡初始化、SD卡读、SD卡写、SD卡擦除。

1、SD卡编程的内容

  SD卡主要就是用来存储数据的,所以核心就是读写。为了实现这个目标,必须实现响应的驱动。

  配置过程中,不仅要设置好SD控制器,还需要将SD卡设置到合适的状态。在读取状态的时候,不仅涉及到SD控制器的状态,还涉及到SD卡的状态。

2、SD卡初始化

① STM32外设SDIO初始化

端口配置、端口时钟、SDIO时钟、DMA2时钟使能

SDIO寄存器复位

设置时钟SDIO_CK为400KHz以下,设置数据线宽度,开启时钟、开启SDIO电源

② SD卡上电初始化

SD卡

  上电初始化流程如上图所示,笔者认为官方库提供的例程没有完全按照这个流程图的指示去做。事实上,官方库的程序只做了如上图红色方框内的流程,之外的没涉及。

  CMD0命令复位所有的卡。

  SD协议规定:在初始化的时候,使用ACMD41之前,必须先使用CMD8命令。而且ACMD41命令属于应用命令,在使用之前需要先发送命令CMD55。

  CMD8命令是为了核查电源是否匹配。ACMD41命令不断询问SD卡是否支持主机提供的电压,并且询问SD卡是否上电完成进入准备状态。ACMD41命令还能询问SD卡的类型(SDSC、SDHC)。

③卡进一步核查、获取卡信息

  发送命令CMD2,以获取CID信息。

  发送命令CMD3,以获取RCA相对地址,可以通过多次发送CMD3获取不同的RCA值,但是只有最后一次的才是有效的RCA地址。

  发送命令CMD9,以获取CSD寄存器。

④ 设置SDIO工作在数据传输模式

  设置SDIO的时钟为24MHz、数据线宽度为4位。

  通过SD_GetCardInfo函数将之前得到CID、CSD处理成卡的信息。

  通过CMD7命令选择匹配地址的卡,而取消选择其他的卡。

  至此,初始化完成。

3、读SD卡的一个块

 数据控制寄存器(SDIO_DCTRL)清零

 发送命令CMD16,设置SD卡的Block大小

 调用函数SDIO_DataConfig设置SDIO数据传输方式

 发送命令CMD17,读单个块

 SDIO数据传输结束中断使能

 SDIO的DMA传输功能使能

 DMA设置,并使能

4、写SD卡的一个块

 数据控制寄存器(SDIO_DCTRL)清零

 发送命令CMD16,设置SD卡的Block大小

 发送命令CMD24,写单个块

 调用函数SDIO_DataConfig设置SDIO数据传输方式

 SDIO数据传输结束中断使能

 DMA设置,并使能

 使能SDIO的DMA传输功能 

八、SD卡疑惑

1、SD卡擦除后,其中的内容是0,还是1 ? 

  The data at the card after an erase operation is either '0' or '1', depends on the card vendor.The SCR register bit DATA_STAT_AFTER_ERASE (bit 55) defines whether it is '0' or '1'.(摘自《SD Specifications_Part_1_Physical_Layer_Specification_Ver3.00_Final_090416.pdf》)

  也就是说这是芯片厂商生产工艺决定的,可以通过SCR寄存器的 DATA_STAT_AFTER_ERASE位得知。

 2、在SDIO_DCTRL中设置传输Block的要求

  Block大小决定了主机在发送数据时,发送到什么程度时开始发送CRC校验码;而在接收数据时,在接收到什么程度时开始把SD卡的数据作为CRC校验码并进行校验。Block还可能影响着其他的时序。在STM32的SDIO寄存器组中,SDIO_DCTRL中的位段DBLOCKSIZE决定主机Block大小。

  在摘自《Simplified_SD_Host_Controller_Spec.pdf》的引文中,提到这样的配置要求:主机的Block一定要与SD卡设置的Block一样大小,这显然是必要的。我们经常设置SD卡的Block大小是512Bytes,所以设置DBLOCKSIZE为9(2^9 = 512)。

 3、STM32固件库“stm32_eval_sdio_sd.c version v4.5.0”偶遇BUG

  参考网页:http://www.cprogramdevelop.com/3742318/

 4、SD卡写Block是怎样进行的?

  写SD卡的单位是Block(512Bytes),再写之前要先整块擦除,然后才能写。

  在多块写操作中,可以在发送多块写命令CMD25之前,有选择性的先发送命令ACMD23设置预擦除。怎样理解呢?

  既然是有选择性的,也可以不发送ACMD23命令。在多块写的过程中,由于SD卡事先不知道你要写入几个块(CMD25命令只告诉SD卡要写入的起始地址),所以写入的过程是:根据需要判断要写一个块时,先擦除然后再写,再判断是否要写入下一个块,如果是就再擦除再写。

  倘若发送ACMD23命令就不一样了,ADM23命令会在写命令CMD25生效之前,告诉SD卡准备写入的块数N。这样当CMD25命令生效的时候,SD卡会一次性先将这N个块都擦除,然后再一个块一个块写。由于擦除操作比较集中,所以整个多块写操作更节省时间。

九、SD卡参数测试

  使用野火开发板配套例程做测试,笔者测试用的SD卡是金士顿的2G内存块,打印SD卡的参数信息如下:

 

Card Type is :1
ManufacturerID is :2

Card device size is :3795
Card Block Size is :1024
Card device size multiplier is :7
Card Capacity is :1990197248

the maximum read date block length is :1024
partial blocks for write allowed is :0
the maximum write date block length is :1024
erase single block enable is :1
erase sector size is :127
write protect group size is :0
RCA is :4660 

 

Card Type:1         SDSC卡版本2.0

Card device size:  C_SIZE(CSD),为3795

Card Block Size:  max read data block length(READ_BL_LEN(CSD)) ,为1024 Bytes

Card device size multiplier is:  C_SIZE_MULT(CSD),为7

Card Capacity:  1990197248 Bytes

计算方法(摘自《Simplified_Physical_Layer_Spec.pdf》):

memory capacity = BLOCKNR * BLOCK_LEN
 
  BLOCKNR = (C_SIZE+1) * MULT  (C_SIZE <= 4096)
  MULT = 2^(C_SIZE_MULT+2)        (C_SIZE_MULT < 8)
  BLOCK_LEN = 2^READ_BL_LEN,    (READ_BL_LEN < 12)

注意:SDSC最大为2GB。

the maximum read date block length:READ_BL_LEN(CSD) ,为1024 Bytes

partial blocks for write allowed:WRITE_BL_PARTIAL(CSD),为不支持

the maximum write date block length:WRITE_BL_LEN(CSD) ,为1024 Bytes

erase single block enable:ERASE_BLK_EN(CSD),为1,支持单块擦除

erase sector size:SECTOR_SIZE(CSD),实际扇区擦除的block数为(SECTOR_SIZE+1),为128 Blocks

write protect group size:WP_GRP_SIZE(CSD),实际保护的扇区数为(WP_GRP_SIZE+1),为1 Sector

RCA: SD卡相对地址为4660

 审核编辑:汤梓红

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