2023年03月23日 | STM32CubeMX系列 | SD卡

1. SD卡介绍

1.1 SD卡简介

很多单片机系统都需要大容量存储设备，以存储数据（常用的有U盘、FLASH芯片、SD卡等），比较而言SD卡是单片机大容量外部存储的首选，只需要少数几个IO口即可外扩一个容量从几十M到几十G的，且有多种体积尺寸可选（标准SD卡、TF卡等）的外部存储器

SD卡（Secure Digital Memory Card）即：安全数码卡，它是在MMC的基础上发展而来，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(PDA)和多媒体播放器等。SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。 SD卡按容量分类，可以分为3类：SD卡、SDHC卡、SDXC卡，如下表所示：

SD卡和SDHC卡协议基本兼容，但是SDXC卡的区别比较大，这里仅介绍SD/SDHC卡（简称SD卡），SD卡由9个引脚与外部通讯，支持SPI和SDIO两种操作模式，不同模式下SD卡引脚功能描叙如下图表示：

1.2 SD卡的物理结构及内部框图

SD卡的物理结构一般包括以下5个部分：

- 存储单元：是存储数据部件；
- 存储单元接口：存储单元通过存储单元接口与卡控制单元进行数据传输；
- 电源检测单元：保证SD卡工作在合适的电压下，如出现掉电或上状态时，它会使控制单元和存储单元接口复位；
- 卡及接口控制单元：控制SD卡的运行状态，它包括有8个寄存器；
- 接口驱动器：控制SD卡引脚的输入输出

SDIO由SDIO适配器和APB2接口两部分组成：

- SDIO适配器：提供特定于MMC/SD/SD I/O卡的所有功能，如时钟生成单元、命令和数据传输
- APB2接口：访问SDIO适配器寄存器，并且生成中断和DMA请求信号

下图是SDIO功能框图及SDIO适配器框图：

1.3 SD卡命令

SD卡命令由主机发出，命令格式固定为48位，通过CMD线连续传输，数据线不参与。SD命令结构如下图示：由6个字节组成，字节1的最高2位固定为01、低6位为命令号（比如CMD16）；字节2 ~ 5为命令参数（有的命令没有参数）；字节6的高7位为CRC、最低位恒定为1

SD命令组成的详细说明如下：
- 起始位和终止位：命令的主体包含在起始位与终止位之间，它们都只包含一个数据位，起始位为 0，终止位为 1。
- 传输标志：用于区分传输方向，该位为 1 时表示命令，方向为主机传输到 SD 卡，该位为 0时表示响应，方向为 SD卡传输到主机。 - 命令主体内容包括命令、地址信息/参数和 CRC 校验三个部分
- 命令号：它固定占用 6bit，所以总共有 64个命令(代号：CMD0~CMD63)，每个命令都有特定的用途，部分命令不适用于 SD 卡操作，只是专门用于 MMC卡或者SD I/O卡。
- 地址/参数：每个命令有 32bit地址信息/参数用于命令附加内容，例如，广播命令没有地址信息，这 32bit用于指定参数，而寻址命令这 32bit用于指定目标 SD卡的地址。
- CRC7 校验：长度为 7bit的校验位用于验证命令传输内容正确性，如果发生外部干扰导致传输数据个别位状态改变将导致校准失败，也意味着命令传输失败，SD卡不执行命令。

1.4 SD卡响应

SD卡命令的响应由SD卡向主机发出，部分命令要求SD卡作出响应，这些响应多用于反馈SD卡的状态。基本特性如下：

- SDIO总共有7个响应类型(代号：R1~R7)，其中SD卡没有R4、R5类型响应。特定的命令对应有特定的响应类型，比如当主机发送CMD3命令时，可以得到响应R6。
- 与命令一样，SD卡的响应也是通过CMD线连续传输的。
- 根据响应内容大小可以分为短响应和长响应。短响应是48bit长度，只有R2类型是长响应，其长度为136bit。

SD的读写操作是以块为操作对象。先发送命令开始传输，然后传输数据块，传输完数据块紧接着传输CRC检验值。最好发送停止命令停止数据传输

1.5 SD卡的操作模式及切换

SD卡有多个版本，STM32控制器目前最高支持《Physical Layer Simplified Specification V2.0》定义的SD卡，STM32控制器对SD卡进行数据读写之前需要识别卡的种类：V1.0标准卡、V2.0标准卡、V2.0高容量卡或者不被识别卡。

SD卡系统定义了两种操作模式：卡识别模式和数据传输模式

在系统复位后，主机处于卡识别模式，寻找总线上可用的SDIO设备；同时，SD卡也处于卡识别模式，直到被主机识别到，即当SD卡接收到SEND_RCA(CMD3)命令后，SD卡就会进入数据传输模式，而主机在总线上所有卡被识别后也进入数据传输模式。

2. 硬件设计

D1指示灯用来提示系统运行状态，K_UP写入数据，K_DOWN读取数据，TFTLCD用来显示SD卡的容量、类型等信息，串口1用来打印调试信息

• D1指示灯

• USART1

• K_UP/K_DOWN/K_LEFT/K_RIGHT

• TFTLCD模块

• TF卡

从以上电路图可以看出，SD卡支持SPI和SDIO模式，两种模式可以通过端子进行切换，P4端子与SD卡连接，SD端子与STM32F1的SDIO接口连接，IO端子与STM32F1的SPI2接口连接，本例程使用SDIO模式（将P4端子与SD端子短接）

3. 软件设计

3.1 STM32CubeMX设置

• RCC设置外接HSE，时钟设置为72M

• PC0设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速、默认输出电平为高电平

• PA0设置为GPIO输入模式、下拉模式；PE2/PE3/PE4设置为GPIO输入模式、上拉模式

• USART1选择为异步通讯方式，波特率设置为115200Bits/s，传输数据长度为8Bit，无奇偶校验，1位停止位

• 激活FSMC，详细请参考TFTLCD显示章节的设置

• 激活SDIO，选择4线SD模式，分频因子设为4，使能流控，其余默认设置

• 最好激活CRC功能，以避免后续读写SD卡报CRC校验错误

• 输入工程名，选择工程路径（不要有中文），选择MDK-ARM V5；勾选Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ；点击GENERATE CODE，生成工程代码

3.2 MDK-ARM编程

• 在sdio.c文件下可以看到sdio初始化函数，同时在该文件下添加显示SD卡信息函数

void MX_SDIO_SD_Init(void){

  hsd.Instance = SDIO;

  hsd.Init.ClockEdge = SDIO_CLOCK_EDGE_RISING;  //上升沿

  hsd.Init.ClockBypass = SDIO_CLOCK_BYPASS_DISABLE; //比使用bypass，直接用HCLK分配得到SDIO_CK

  hsd.Init.ClockPowerSave = SDIO_CLOCK_POWER_SAVE_DISABLE;  //空闲时不关闭时钟电源

  hsd.Init.BusWide = SDIO_BUS_WIDE_1B;  //1位数据线

  hsd.Init.HardwareFlowControl = SDIO_HARDWARE_FLOW_CONTROL_ENABLE; //开启硬件流控

  hsd.Init.ClockDiv = 4;    //4分频

  if (HAL_SD_Init(&hsd) != HAL_OK){

    Error_Handler();

  }

  if (HAL_SD_ConfigWideBusOperation(&hsd, SDIO_BUS_WIDE_4B) != HAL_OK){

    Error_Handler();    //初始化完成后使能宽总线（4位）模式

  }

}

//显示SD卡信息函数

void Show_SDMMC_Info(void){

    HAL_SD_CardCIDTypeDef SDCard_CID;

    HAL_SD_CardInfoTypeDef SDCard_INFO;

    uint64_t CardCap;                       //SD卡容量

    HAL_SD_GetCardCID(&hsd,&SDCard_CID);    //获取CID

    HAL_SD_GetCardInfo(&hsd,&SDCard_INFO);  //获取SD卡信息

    FRONT_COLOR=BROWN;  

    switch(SDCard_INFO.CardType)            //SD卡类型

    {

        case CARD_SDSC:

            if(SDCard_INFO.CardVersion == CARD_V1_X){

                LCD_ShowString(120,190,50,16,16,(uint8_t *)"SDSC V1");

                printf("Card Type: SDSC V1rn");

            }

            else if(SDCard_INFO.CardVersion == CARD_V2_X){

                LCD_ShowString(120,190,50,16,16,(uint8_t *)"SDSC V2");

                printf("Card Type: SDSC V2rn");

            }

            break;

        case CARD_SDHC_SDXC:

            LCD_ShowString(120,190,50,16,16,(uint8_t *)"SDHC");

            printf("Card Type: SDHCrn");

            break;

    }

    CardCap = (uint64_t)(SDCard_INFO.LogBlockNbr)*(uint64_t)(SDCard_INFO.LogBlockSize)/1024/1024;   //计算SD卡容量

    printf("Card ManufacturerID:%drn",SDCard_CID.ManufacturerID); //制造商ID

    printf("Card RCA:%drn",SDCard_INFO.RelCardAdd);       //卡相对地址

    printf("LogBlockNbr:%drn",SDCard_INFO.LogBlockNbr);   //逻辑块数量

    printf("LogBlockSize:%drn",SDCard_INFO.LogBlockSize); //逻辑块大小

    printf("Card Capacity:%d MBrn",(uint32_t)CardCap);    //显示容量

    printf("Card BlockSize:%drn",SDCard_INFO.BlockSize);  //块大小

    LCD_ShowNum(120,210,CardCap,4,16);

    LCD_ShowString(160,210,50,16,16,(uint8_t *)"MB");

}

添加按键驱动文件key.c和key.h，参考按键输入例程

添加TFTLCD驱动文件tftlcd.c 和tftlcd.h，参考TFTLCD显示例程

在main.c文件中编写SD卡读写测试代码

uint8_t Buffer_Tx[512],Buffer_Rx[512] = {0};

uint32_t i;

int main(void){

    uint8_t key;

    HAL_Init();

    SystemClock_Config();

    MX_GPIO_Init();

    MX_FSMC_Init();

    MX_SDIO_SD_Init();

    MX_USART1_UART_Init();

    MX_CRC_Init();

  /* USER CODE BEGIN 2 */

    TFTLCD_Init();  

    FRONT_COLOR=BROWN;

    LCD_DrawRectangle(25,25,215,135);

    FRONT_COLOR=RED;                    

    LCD_ShowString(30,30,200,16,16,(uint8_t *)"ANDYXI STM32");  

    LCD_ShowString(30,50,200,16,16,(uint8_t *)"STM32CubeMX");   

    LCD_ShowString(30,70,200,16,16,(uint8_t *)"SDIO TEST");

    FRONT_COLOR=BLACK;

    LCD_ShowString(30,90,200,16,16, (uint8_t *)"K_U:ReadSD K_D:WriteSD");

    LCD_ShowString(30,110,200,16,16,(uint8_t *)"K_R:EaseSD K_L:None");

    FRONT_COLOR=BLUE;

    LCD_ShowString(30,170,200,16,16,(uint8_t *)"SD Card Information");

    LCD_ShowString(30,190,80,16,16,(uint8_t *)"Card Type:     ");

    LCD_ShowString(30,210,80,16,16,(uint8_t *)"Card Capa:");    

    Show_SDMMC_Info();

    memset(Buffer_Tx,0x15,sizeof(Buffer_Tx));   

  /* USER CODE END 2 */

  while (1){

    key = KEY_Scan(0);

    switch(key)

    {

        case KEY_RIGHT_PRES:

            if(HAL_SD_Erase(&hsd,0,1) == HAL_OK){

                while(HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER);

                printf("rnErase Block Success!rn");

                LCD_ShowString(30,250,200,16,16,(uint8_t *)"Erase Block Success!");

            }

            else{

                printf("rnErase Block Failed!rn");  

                LCD_ShowString(30,250,200,16,16,(uint8_t *)"Erase Block Failed!");              

            }

            break;

        case KEY_UP_PRES:

            if(HAL_SD_ReadBlocks(&hsd,Buffer_Rx,0,1,0xffffffff) == HAL_OK){

                while(HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER);

                printf("rnRead Block Success!rn");

                for(i=0;i                    printf("%02x ",Buffer_Rx[i]);

                printf("rn");

                LCD_ShowString(30,250,200,16,16,(uint8_t *)"Read Block Success!");

            }else{

                printf("rnRead Block Failed!rn");

                LCD_ShowString(30,250,200,16,16,(uint8_t *)"Read Block Success!");              

            }

            break;    

        case KEY_DOWN_PRES:

            if(HAL_SD_WriteBlocks(&hsd,Buffer_Tx,0,1,0xffffffff) == HAL_OK){

                while(HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER);

                printf("rnWrite Block Success!rn");