2021年11月25日 | SD卡存储容量的计算过程

前言

SD卡底层驱动代码量不小，功能稍微有点复杂，其他的功能不说了；本博文主要介绍SD卡V1.0和V2.0版本的SD卡的容量结算；

在对SD卡进行FATFS文件系统（最新R0.13c版本）移植时，接口函数DRESULT disk_ioctl (BYTE pdrv, BYTE cmd, void *buff )会获取SD卡的三个重要信息作为f_fdisk和f_mkfs函数为整个SD卡分区和挂载文件系统的依据；

下面的代码来自于STM32官方提供的固件库的SD卡例程，但是：例程里边有错误的地方需要修改，如果不修改有可能会影响到FatFS系统移植时分区的问题，在博文的最后有特别指出；

CSD寄存器（Card-Specific Data register 卡特性数据寄存器）

看懂本文需要有SD卡开发经验和FATFS文件系统移植经验基础的同志；

1.获取并处理CSD寄存器数据

步骤：

获取SD卡CSD寄存器数据。执行SD_GetCardInfo函数，将CSD寄存器的值全部赋值到CSD结构体；要获取的数据如下表（来自SD卡V2.0协议）

对于V1.0的卡来说，要获取下面几组数据：

对于V2.0的卡来说，只需获取一个数据：

所对应的代码下面列出来，但是注意我们所要用到的V1.0和V2.0的参数本身不多，所有我对结构体做出适当的修剪：

/** 

  * @brief  Card Specific Data: CSD Register   

  */ 

typedef struct

{

  /***省略若干行***/

  __IO uint8_t  RdBlockLen;           /*!< Max. read data block length V1.0计算公式要用到*/   

  /***省略若干行***/

  __IO uint32_t DeviceSize;           /*!< Device Size V1.0和V2.0计算公式都要用到*/   

  /***省略若干行***/

  __IO uint8_t  DeviceSizeMul;        /*!< Device size multiplier */

  /***省略若干行***/

} SD_CSD;

/** 

  * @brief SD Card information 

  * 这个结构体包含了SD卡的CSD寄存器和CID寄存器，这里我们只讨论CSD寄存器

  */

typedef struct

{

  SD_CSD SD_csd;

  SD_CID SD_cid;

  uint32_t CardCapacity;  /*!< Card Capacity */   

  uint32_t CardBlockSize; /*!< Card Block Size */

  uint16_t RCA;

  uint8_t CardType;

} SD_CardInfo;  //此结构体将上面两个结构体都包含了；

/**

  * @brief  Returns information about specific card.

  * @param  cardinfo: pointer to a SD_CardInfo structure that contains all SD card 

  *         information.

  * @retval SD_Error: SD Card Error code.

  */

SD_Error SD_GetCardInfo(SD_CardInfo *cardinfo)

{

  SD_Error errorstatus = SD_OK;

  uint8_t tmp = 0;

/*************************************************************/

/*****************SD_CardInfo结构体填充****************/

/*************************************************************/

  cardinfo->CardType = (uint8_t)CardType;

  cardinfo->RCA = (uint16_t)RCA;

/**********************************************/

/*****************CSD结构体填充****************/

/**********************************************/

  /*!< Byte 0 */

  tmp = (uint8_t)((CSD_Tab[0] & 0xFF000000) >> 24);

  cardinfo->SD_csd.CSDStruct = (tmp & 0xC0) >> 6;

  cardinfo->SD_csd.SysSpecVersion = (tmp & 0x3C) >> 2;

  cardinfo->SD_csd.Reserved1 = tmp & 0x03;

  /*!< Byte 1 */

  tmp = (uint8_t)((CSD_Tab[0] & 0x00FF0000) >> 16);

  cardinfo->SD_csd.TAAC = tmp;

  /*!< Byte 2 */

  tmp = (uint8_t)((CSD_Tab[0] & 0x0000FF00) >> 8);

  cardinfo->SD_csd.NSAC = tmp;

  /*!< Byte 3 */

  tmp = (uint8_t)(CSD_Tab[0] & 0x000000FF);

  cardinfo->SD_csd.MaxBusClkFrec = tmp;

  /*!< Byte 4 */

  tmp = (uint8_t)((CSD_Tab[1] & 0xFF000000) >> 24);

  cardinfo->SD_csd.CardComdClasses = tmp << 4;

  /*!< Byte 5 */

  tmp = (uint8_t)((CSD_Tab[1] & 0x00FF0000) >> 16);

  cardinfo->SD_csd.CardComdClasses |= (tmp & 0xF0) >> 4;

  cardinfo->SD_csd.RdBlockLen = tmp & 0x0F;

  /*!< Byte 6 */

  tmp = (uint8_t)((CSD_Tab[1] & 0x0000FF00) >> 8);

  cardinfo->SD_csd.PartBlockRead = (tmp & 0x80) >> 7;

  cardinfo->SD_csd.WrBlockMisalign = (tmp & 0x40) >> 6;

  cardinfo->SD_csd.RdBlockMisalign = (tmp & 0x20) >> 5;

  cardinfo->SD_csd.DSRImpl = (tmp & 0x10) >> 4;

  cardinfo->SD_csd.Reserved2 = 0; /*!< Reserved */

  if ((CardType == SDIO_STD_CAPACITY_SD_CARD_V1_1) || (CardType == SDIO_STD_CAPACITY_SD_CARD_V2_0))

  {

    cardinfo->SD_csd.DeviceSize = (tmp & 0x03) << 10;

    /*!< Byte 7 */

    tmp = (uint8_t)(CSD_Tab[1] & 0x000000FF);

    cardinfo->SD_csd.DeviceSize |= (tmp) << 2;

    /*!< Byte 8 */

    tmp = (uint8_t)((CSD_Tab[2] & 0xFF000000) >> 24);

    cardinfo->SD_csd.DeviceSize |= (tmp & 0xC0) >> 6;

    cardinfo->SD_csd.MaxRdCurrentVDDMin = (tmp & 0x38) >> 3;

    cardinfo->SD_csd.MaxRdCurrentVDDMax = (tmp & 0x07);

    /*!< Byte 9 */

    tmp = (uint8_t)((CSD_Tab[2] & 0x00FF0000) >> 16);

    cardinfo->SD_csd.MaxWrCurrentVDDMin = (tmp & 0xE0) >> 5;

    cardinfo->SD_csd.MaxWrCurrentVDDMax = (tmp & 0x1C) >> 2;

    cardinfo->SD_csd.DeviceSizeMul = (tmp & 0x03) << 1;

    /*!< Byte 10 */

    tmp = (uint8_t)((CSD_Tab[2] & 0x0000FF00) >> 8);

    cardinfo->SD_csd.DeviceSizeMul |= (tmp & 0x80) >> 7;

    cardinfo->CardCapacity = (cardinfo->SD_csd.DeviceSize + 1) ;

    cardinfo->CardCapacity *= (1 << (cardinfo->SD_csd.DeviceSizeMul + 2));

    cardinfo->CardBlockSize = 1 << (cardinfo->SD_csd.RdBlockLen);

    cardinfo->CardCapacity *= cardinfo->CardBlockSize;

  }

  else if (CardType == SDIO_HIGH_CAPACITY_SD_CARD)

  {

    /*!< Byte 7 */

    tmp = (uint8_t)(CSD_Tab[1] & 0x000000FF);

    cardinfo->SD_csd.DeviceSize = (tmp & 0x3F) << 16;

    /*!< Byte 8 */

    tmp = (uint8_t)((CSD_Tab[2] & 0xFF000000) >> 24);

    cardinfo->SD_csd.DeviceSize |= (tmp << 8);

    /*!< Byte 9 */

    tmp = (uint8_t)((CSD_Tab[2] & 0x00FF0000) >> 16);

    cardinfo->SD_csd.DeviceSize |= (tmp);

    /*!< Byte 10 */

    tmp = (uint8_t)((CSD_Tab[2] & 0x0000FF00) >> 8);

    cardinfo->CardCapacity = (cardinfo->SD_csd.DeviceSize + 1) * 512 * 1024;

    cardinfo->CardBlockSize = 512;    

  }

  cardinfo->SD_csd.EraseGrSize = (tmp & 0x40) >> 6;

  cardinfo->SD_csd.EraseGrMul = (tmp & 0x3F) << 1;

  /*!< Byte 11 */

  tmp = (uint8_t)(CSD_Tab[2] & 0x000000FF);

  cardinfo->SD_csd.EraseGrMul |= (tmp & 0x80) >> 7;

  cardinfo->SD_csd.WrProtectGrSize = (tmp & 0x7F);

  /*!< Byte 12 */

  tmp = (uint8_t)((CSD_Tab[3] & 0xFF000000) >> 24);

  cardinfo->SD_csd.WrProtectGrEnable = (tmp & 0x80) >> 7;

  cardinfo->SD_csd.ManDeflECC = (tmp & 0x60) >> 5;

  cardinfo->SD_csd.WrSpeedFact = (tmp & 0x1C) >> 2;

  cardinfo->SD_csd.MaxWrBlockLen = (tmp & 0x03) << 2;

  /*!< Byte 13 */

  tmp = (uint8_t)((CSD_Tab[3] & 0x00FF0000) >> 16);

  cardinfo->SD_csd.MaxWrBlockLen |= (tmp & 0xC0) >> 6;

  cardinfo->SD_csd.WriteBlockPaPartial = (tmp & 0x20) >> 5;

  cardinfo->SD_csd.Reserved3 = 0;

  cardinfo->SD_csd.ContentProtectAppli = (tmp & 0x01);

  /*!< Byte 14 */

  tmp = (uint8_t)((CSD_Tab[3] & 0x0000FF00) >> 8);

  cardinfo->SD_csd.FileFormatGrouop = (tmp & 0x80) >> 7;

  cardinfo->SD_csd.CopyFlag = (tmp & 0x40) >> 6;

  cardinfo->SD_csd.PermWrProtect = (tmp & 0x20) >> 5;

  cardinfo->SD_csd.TempWrProtect = (tmp & 0x10) >> 4;

  cardinfo->SD_csd.FileFormat = (tmp & 0x0C) >> 2;

  cardinfo->SD_csd.ECC = (tmp & 0x03);

  /*!< Byte 15 */

  tmp = (uint8_t)(CSD_Tab[3] & 0x000000FF);

  cardinfo->SD_csd.CSD_CRC = (tmp & 0xFE) >> 1;

  cardinfo->SD_csd.Reserved4 = 1;

  /***省略若干行***/

  return(errorstatus);

}

通过上面一顿操作我们将想要的信息整理了出来，分别是：

用于V1.0计算的：C_SIZE，C_SIZE_MULT，READ_BL_LEN

用于V2.0计算的：C_SIZE；(注意两个C_SIZE的位宽是不一样的)

2. V1.0计算公式

代码如下：

//代码来自上面历程

cardinfo->CardCapacity = (cardinfo->SD_csd.DeviceSize + 1) ;

    cardinfo->CardCapacity *= (1 << (cardinfo->SD_csd.DeviceSizeMul + 2));

    cardinfo->CardBlockSize = 1 << (cardinfo->SD_csd.RdBlockLen);

    cardinfo->CardCapacity *= cardinfo->CardBlockSize;  //最终计算的结果，以字节为单位；

3. V2.0计算公式

代码如下：

//代码来自上面历程

cardinfo->CardCapacity = (cardinfo->SD_csd.DeviceSize + 1) * 512 * 1024; //最终计算的结果，以字节为单位；

    cardinfo->CardBlockSize = 512;  

特别注意：尤其是V2.0的SD卡最大可以达到32G类型，防止溢出；

4. 但是这里有一个问题（内存卡小于等于4GB的请忽略下面）

问题：在对SD卡进行FatFS系统移植的时候，我在实验中发现STM32官方提供的SD卡程序只能支持0~4G以内的SD卡（其实不能说是BUG，严格的说是一个移植不兼容的问题）；详细问题情况如下：

我的内存卡是

16GB(标签)== 1610001000*1000=16000000000字节 = 16000000000/1024/1024/1024 = 14.9GB（实际）；

但是实际上厂家并不会这么精准（唉），所最终我的内存卡的容量最终如下图（我们暂且取14.6GB）：

下面对这个SD卡直接用上面移植来的SD卡例程和FATFS文件系统对其进行平均4分区，分区后如下：

会发现：有4个相等的有效分区，和一个12G的未分配区间，为什么会产生这个问题？14.6GB的内存不应该是都是3.65GB吗？

原因：看下面这段代码，这段代码是FATFS文件系统中一个命令控制函数，FATFS文件系统用它来获取分区的依据；

/*-----------------------------------------------------------------------*/

/* Miscellaneous Functions                                               */

/*-----------------------------------------------------------------------*/

DRESULT disk_ioctl (

BYTE pdrv, /* Physical drive nmuber (0..) */

BYTE cmd, /* Control code */

void *buff /* Buffer to send/receive control data */

)

{

DRESULT res = RES_PARERR;

switch (pdrv) {

case DEV_SPI_FLASH :

return res;

case DEV_SDHC :

switch(cmd)

{

/* Generic command (Used by FatFs) */

case CTRL_SYNC: res = RES_OK;break; //确保设备完成了等待写过程,也就是设备数据缓冲区内的数据写入了存储介质；

case GET_SECTOR_COUNT: //获取存储设备中可用扇区数值返回到buff所指向的DWORD中；

*(DWORD*)buff = SDCardInfo.CardCapacity/SDCardInfo.CardBlockSize;    

res = RES_OK;break;

case GET_SECTOR_SIZE: //获取存储设备中扇区大小返回到buff所指向的DWORD中；