STM32入门学习笔记之SD卡基础读写实验1

20.1 概述

SD卡是嵌入式系统中最常见的存储器，不仅容量可以做的很大，并且接口通用，支持SPI/SDIO驱动，尺寸可供选择，能满足不同应用的要求。STM32F1系列自带了标准的4位SDIO接口，最高通信速度可达24MHz，最高每秒能传输12M字节的数据。

20.1.1 SDIO框图

STM32F1的SDIO控制器包括2部分，SDIO适配器模块和AHB总线接口，功能框图如下图所示。

其中SDIO适配器模块主要用于实现所有MMC/SD卡的相关功能，如时钟的产生，命令和数据的传输，AHB总线接口则用于操作SDIO适配器模块中的寄存器并产生中断和DMA请求信号。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。

如果一个多媒体卡接到了总线上，则SDIO_D0、SDIO_D[3:0]或SDIO_D[7:0]可以用于数据传输。MMC版本V3.31和之前版本的协议只支持1位数据线，所以只能用SDIO_D0（为了通用性考虑，在程序里面我们只要检测到是MMC卡就设置为1位总线数据）。

如果一个SD卡接到了总线上，可以通过主机配置数据传输使用SDIO_D0或SDIO_D[3:0]。所有的数据线都工作在推挽模式。

SDIO_CMD有两种操作模式：

（1）用于初始化时的开路模式（仅用于MMC版本V3.31或之前版本）

（2）用于命令传输的推挽模式（SD卡和MMCV4.2在初始化时也使用推挽驱动）

20.1.2 SDIO时钟

从SDIO框图我们可以看到SDIO总共有3个时钟，分别是：

（1）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。对于多媒体卡V3.31协议，时钟频率可以在0MHz至20MHz间变化；对于多媒体卡V4.0/4.2协议，时钟频率可以在0MHz至48MHz间变化；对于SD卡，时钟频率可以在0MHz至25MHz间变化。

（2）SDIO适配器时钟SDIOCLK：该时钟用于驱动SDIO适配器，其频率等于AHB总线频率HCLK，并用于产生SDIO_CK时钟

（3）AHB总线接口时钟HCLK/2：该时钟用于驱动SDIO的AHB总线接口，其频率为HCLK/2。

我们的SD卡时钟SDIO_CK，根据卡的不同，可能有好几个区间，这就涉及到时钟频率的设置，SDIO_CK与SDIOCLK的关系为：

SDIO_CK=SDIOCLK/(2+CLKDIV)

其中，SDIOCLK为HCLK，一般是72MHz，而CLKDIV则是分配系数，可以通过SDIO的SDIO_CLKCR寄存器进行设置，确保SDIO_CK不超过卡的最大操作频率。

注：在SD卡刚刚初始化的时候，其时钟频率SDIO_CK不能超过400KHz，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。

20.1.3 SDIO的命令与响应

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。SDIO的所有命令和响应都是通过SDIO_CMD引脚传输的，任何命令的长度都是固定为48位，SDIO的命令格式如下表所示。

Bit位	宽度	值	说明
47	1	0	起始位
46	1	1	传输位
45:40	6	-	命令索引
39:8	32	-	参数
7:1	7	-	CRC7
0	1	1	结束位

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。其中命令索引在SDIO_CMD寄存器里面设置，命令参数则由寄存器SDIO_ARG设置。一般情况下，选中的SD卡在接收到命令之后，都会回复一个应答（但是CMD0无应答），这个应答我们称之为响应，响应也是在CMD线上串行传输的。STM32F1的SDIO控制器支持2种响应类型，48位的短响应和136位的长响应，这两种响应类型都带CRC错误检测，不带CRC的响应应该忽略CRC错误标志，如CMD1的响应。

短响应的格式如下表所示。

Bit位	宽度	值	说明
47	1	0	起始位
46	1	0	传输位
45:40	6	-	命令索引
39:8	32	-	参数
7:1	7	-	CRC7或者1111111
0	1	1	结束位

长响应的格式如下表所示。

Bit位	宽度	值	说明
135	1	0	起始位
134	1	0	传输位
133:128	6	111111	保留
127:1	127	-	CID或CSD（包括内部CRC7）
0	1	1	结束位

硬件为我们滤除了开始位、传输位、CRC7以及结束位等信息，对于短响应，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。对于长响应，则仅留CID/CSD位域，存放在SDIO_RESP1到SDIO_RESP4等4个寄存器。SD卡总共有5类响应（R1、R2、R3、R6、R7），这里以R1为例简单介绍一下。R1（普通响应命令）响应属于短响应，其长度为48位，R1响应的格式如下表所示。

Bit位	宽度	值	说明
47	1	0	起始位
46	1	1	传输位
45:40	6	X	命令索引
39:8	32	X	参数
7:1	7	X	CRC7
0	1	1	结束位

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。

20.1.4 数据块读操作

对于SD卡，数据是以数据块的形式传输的，我们常用的卡就是SD卡，所以不考虑MMC形式的读写操作，因为MMC卡数据以数据块或者数据流的形式传输。

从机在收到主机相关命令后，开始发送数据块给主机，所有数据块都带有CRC校验值，CRC由SDIO硬件自动处理，单个数据块读的时候，在收到1个数据块以后即可以停止了，不需要发送停止命令CMD12。但是多块数据读的时候，SD卡将一直发送数据给主机，直到接到主机发送的STOP命令CMD12。

SDIO多数据块的读操作如下图所示。

20.1.5 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，多了一个忙判断，新的数据块必须在SD卡非忙的时候发送。这里的忙信号由SD卡拉低SDIO_D0，以表示忙，SDIO硬件自动控制，不需要我们软件处理。

20.2 SDIO相关寄存器

20.2.1 SDIO电源控制寄存器：SDIO_POWER

31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16
15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
-	CTRL

Bit 1~Bit 0：电源控制位

00：电源关闭，卡的时钟停止

01：保留

10：保留的上电状态

11：上电状态，卡的时钟开启

20.2.2 SDIO时钟控制寄存器：SDIO_CLKCR

31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16
-
15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
-	HWFC_EN	NEGEDGE	WIDBUS	BYPASS	PWRSAV	CLKEN	CLKDIV

Bit 14：硬件流控制使能

0：关闭硬件流控制

1：使能硬件流控制

Bit 13：SDIO_CK相位选择位

0：在主时钟SDIOCLK的上升沿产生SDIO_CK

1：在主时钟SDIOCLK的下降沿产生SDIO_CK

Bit 12~Bit 11：宽总线模式使能位

00：默认总线模式，使用SDIO_D0

01：4位总线模式，使用SDIO_D[3:0]

10：8位总线模式，使用SDIO_D[7:0]

Bit 10：旁路时钟分频器

0：关闭旁路：驱动SDIO_CK输出信号之前，依据CLKDIV数值对SDIOCLK分频

1：使能旁路：SDIOCLK直接驱动SDIO_CK输出信号

Bit 9：省电配置位（为了省电，当总线为空闲时，设置PWRSAV位可以关闭SDIO_CK时钟输出）

0：始终输出SDIO_CK

1：仅在有总线活动时才输出SDIO_CK

Bit 8：时钟使能位

0：SDIO_CK关闭

1：SDIO_CK使能

Bit 7~Bit 0：时钟分频系数

这个域定义了输入时钟(SDIOCLK)与输出时钟(SDIO_CK)间的分频系数：SDIO_CK频率=SDIOCLK/[CLKDIV+2]

20.2.3 SDIO参数寄存器：SDIO_ARG

31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16
CMDARG[31:16]
15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
CMDARG[16:0]

Bit 31~Bit 0：命令参数

属于发送到卡中命令的一部分，如果一个命令包含一个参数，必须在写命令到命令寄存器之前加载这个寄存器

20.2.4 SDIO命令响应寄存器：SDIO_RESPCMD

31	30	29	28	27	26	25	24	23	22	21	20	19	18	17	16
-
15	14	13	12	11	10	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
-	RESPCMD

Bit 5~Bit 0：响应的命令索引

只读位，包含最后收到的命令响应中的命令索引

20.2.5 SDIO相应寄存器组：SDIO_RESP1~SDIO_RESP4

寄存器	短响应	长响应
SDIO_RESP1	卡状态[31:0]	卡状态[127:96]
SDIO_RESP2	未使用	卡状态[95:64]
SDIO_RESP3	未使用	卡状态[31:0]
SDIO_RESP4	未使用	卡状态[31:0]

注：总是先收到卡状态的最高位，SDIO_RESP3寄存器的最低位始终为0。