淺談STM32之SD卡

一、SD卡概述

1、定義

SD卡（安全數(shù)碼卡），是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，它被廣泛地于便攜式裝置上使用，例如數(shù)碼相機、個人數(shù)碼助理（外語縮寫PDA）和多媒體播放器等。

2、容量等級

3、SD卡框圖

引腳說明：

4、SD卡與TF卡的區(qū)別

TF卡又名micro SD卡，個頭是比SD卡的1/4還小，可以通過“TF轉SD卡套”轉換成SD卡。

二、SD卡內部結構

（摘自SanDisk Secure Digital Card Product Manual Version 1.9）

1、 SD卡內部結構簡圖

由SD卡控制器和存儲陣列組成，SD卡與外界的通訊接口是SD Bus或者SPI Bus。

2、 存儲陣列結構圖

Block:

讀寫時的單元（數(shù)據(jù)傳輸單元），它的單位是“字節(jié)”。

Sector:

如果CSD寄存器ERASE_BLK_EN = 0時，Sector是最小的擦除單元，它的單位是“塊”。Sector的值等于CSD寄存器中的SECTOR_SIZE的值+1。

WP Group:

最小的寫保護單元，它的單位是“扇區(qū)”。

3、Buffer

SD Card的Buffer最大容量定義在CSD寄存器的READ_BL_LEN和WRITE_BL_LEN。它們的值是一樣的，而且有可能超過512字節(jié)，盡管這樣Block還是要設置成512字節(jié)，因為512字節(jié)是數(shù)據(jù)邊界（這句話不是太理解）。也就是SD卡上有數(shù)據(jù)傳輸緩沖器Buffer，不同的產(chǎn)品可能不一樣，但是在使用時要將Buffer設置成512字節(jié)。

參考資料：

The card buffer size is described as maximum block length in the Card Specif ic Data (CSD) registerfor memory cards (for cards compliant with the Physical Layer Specification, READ_BL_LEN andWRITE_BL_LEN shall be the same)and in the Card Information Structure (CIS) for SDIO cards. Physical Layer Specification re-defines that maximum block length is only used to calculate capacity of memory card.Even though it indi cates larger than 512 bytes, block length shall be set to 512 bytefor data transfer.This is because 512 bytes block l ength is required to keep compatibility with 512 bytes data boundary.

(摘自《Simplified_SD_Host_Controller_Spec.pdf》)

4、“存儲陣列Block”--最小的存儲單元

資料上的Block通通指的是數(shù)據(jù)傳輸時的最小單元，定義這個數(shù)值是為了數(shù)據(jù)傳輸、CRC校驗等。

存儲陣列通常采用NandFlash的結構，顯然不能按字節(jié)存取，而這里討論的“存儲陣列Block”就是指這個概念?？上У氖悄壳?，我還沒有找到資料討論這個問題，所以這一章節(jié)是筆者自己的推測。

據(jù)我推測存儲陣列Block應該是512Byes，因為眾多的數(shù)據(jù)都圍繞著512Bytes在轉。比如說最小的擦除單元是512Byes，最小的讀寫單位應該被設置成512Bytes，那么有理由推測是這個數(shù)值。

5、SD卡特殊功能寄存器

CID：寬度128位，卡標識號

RCA:寬度16位，卡相對地址，在初始化的時候確定

CSD:寬度128位，卡描述數(shù)據(jù)：卡操作條件的信息

SCR:寬度64位，SD卡配置寄存器：SD卡特定信息數(shù)據(jù)

OCR:寬度32位，操作條件寄存

三、SDIO接口

四、SD卡協(xié)議之數(shù)據(jù)讀、寫、擦除

1、SD卡寫數(shù)據(jù)塊

執(zhí)行寫數(shù)據(jù)塊命令(CMD24-27) 時，主機把一個或多個數(shù)據(jù)塊從主機傳送到卡中，同時在每個數(shù)據(jù)塊的末尾傳送一個CRC碼。主機傳送數(shù)據(jù)，SD卡接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)保存在Buffer中，累計接收數(shù)據(jù)達到Block長度的時候，SD卡把接下來的數(shù)據(jù)當做CRC校驗碼，并且開始數(shù)據(jù)校驗。如果CRC校驗錯誤，卡通過SDIO_D 線指示錯誤，傳送的數(shù)據(jù)被丟棄而不被寫入，所有后續(xù)(在多塊寫模式下)傳送的數(shù)據(jù)塊將被忽略。

如果主機傳送部分數(shù)據(jù)而累計的數(shù)據(jù)長度未與數(shù)據(jù)塊對齊，當不允許塊錯位( 未設置CSD的參數(shù)WRITE_BLK_MISALIGN)，卡將在第一個錯位的塊之前檢測到塊錯位錯誤( 設置狀態(tài)寄存器中的ADDRESS_ERROR 錯誤位) 。當主機試圖寫一個寫保護區(qū)域時，寫操作也會被中止，此時卡會設置WP_VIOLATION位。

數(shù)據(jù)塊Block的最大長度定義在CSD中的WRITE_BL_LEN，但是在數(shù)據(jù)傳輸時應該用CMD16指令將其設置為512Byets，不去在意WRITE_BL_LEN是1024或者2048Bytes。

另外需要注意的是，Block的長度設置還要參考CSD寄存器的WRITE_BL_PARTIAL。當WRITE_BL_PARTIAL為0時，那么么辦法Block只能設置為512Bytes；如果WRITE_BL_PARTIAL=1，那么允許將Block設置成更小的塊，比如說一個字節(jié)。協(xié)議是這樣規(guī)定的，但是據(jù)我分析如果這樣的話SD卡的制作會非常復雜（寫入的單位可以是字節(jié)），價格也會很高。筆者測試了自己的SD卡，WRITE_BL_PARTIAL 等于0，也就是不支持“塊部分寫”功能。

2、SD卡讀數(shù)據(jù)塊

在讀數(shù)據(jù)塊模式下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧菙?shù)據(jù)塊Block。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_，傳輸一個數(shù)據(jù)塊Blcok后都有一個CRC校驗碼。筆者認為主機在累計接收到Block長度數(shù)據(jù)后，軟件可以把接下來的數(shù)據(jù)當做CRC校驗碼，并且進行校驗。

Block的最大值在CSD中(READ_BL_LEN) 給出了定義，但是在數(shù)據(jù)傳輸時應該用CMD16指令將其設置為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，可以傳送的較小數(shù)據(jù)塊，較小數(shù)據(jù)塊是指開始和結束地址完全包含在一個物理塊中。事實上，協(xié)議規(guī)定READ_BL_PARTIAL永遠等于1，也就說在任何SD卡上都允許“讀部分塊”，讀的塊的最小字節(jié)是1Bytes。使用這種功能，可以通過CMD16命令設置更小的Block（比如說等于128）。讀取的這128字節(jié)必須在512Bytes邊界內，不能跨越邊界(其實因為存儲陣列是以512Bytes為單位的，讀取“部分塊”只能在一個塊內，不允許跨塊讀)。

3、擦除SD卡

CSD寄存器ERASE_BLK_EN決定了SD卡的最小擦除單位。

當ERASE_BLK_EN等于0的時候，主機擦除的最小單位是扇區(qū)。比如一個Sector包含32個Block，擦除時的起始地址是5，而結束地址是40，那么實際擦除的塊是從0到63。

當ERASE_BLK_EN等于1的時候，主機擦除的最小單位是512 Byetes。比如擦除時的起始地址是5，而結束地址是40，那么實際擦除的塊就是從5到40。

五、SD卡物理層協(xié)議

SD卡的協(xié)議相對于SPI、I2C等協(xié)議的存儲器來說相對復雜，包含SD卡物理層（機械封裝、管腳、芯片結構、命令集等）、SD卡接口（SDIO）、SD主機控制器，甚至是軟件設計的流程，都進行了詳細的規(guī)定。

1、接口

① SDIO接口

參考《Simplified_SDIO_Card_Spec.pdf》

<1> CLK 時鐘同步線

<2> CMD 命令信號線，主機發(fā)出的命令以及從機對命令的響應都是通過這條線進行傳輸

<3> DAT[3:0] 表示4條數(shù)據(jù)線，主機和從機的數(shù)據(jù)都是從這四條數(shù)據(jù)線上傳輸

② SPI接口

2、命令格式

3、響應格式

以R1為例

4、SD卡的工作狀態(tài)

5、SD卡的兩種狀態(tài)信息

① Card Status

執(zhí)行命令過程中的狀態(tài)信息，比如地址不對齊錯誤、塊長度錯誤、卡鎖、ECC校驗錯誤等等

blog.csdn.net/g_salamander

② SD Status

SD卡的專有特征，編程中不經(jīng)常涉及。這個狀態(tài)值有512位，不是通過命令線傳送給主機，而是通過數(shù)據(jù)線。

六、STM32與SD卡相配的外設--SDIO適配器

1、SDIO adapter 結構圖

2、命令狀態(tài)機（CPSM)

當發(fā)送命令和接收響應時，啟動CPSM狀態(tài)機。

3、數(shù)據(jù)通道狀態(tài)機

當傳輸數(shù)據(jù)時，啟動數(shù)據(jù)通道狀態(tài)機。

4、FIFO

數(shù)據(jù)FIFO(先進先出)子單元是一個具有發(fā)送和接收單元的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

FIFO包含一個每字32位寬、共32個字的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，和發(fā)送與接收電路。因為數(shù)據(jù)FIFO工作在AHB 時鐘區(qū)域(HCLK/2)，所有與SDIO時鐘區(qū)域(SDIOCLK)連接的信號都進行了重新同步。依據(jù)TXACT和RXACT標志，可以關閉FIFO、使能發(fā)送或使能接收。TXACT和RXACT 由數(shù)據(jù)通道子單元設置而且是互斥的：

─ 當 TXACT 有效時，發(fā)送 FIFO 代表發(fā)送電路和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

─ 當 RXACT 有效時，接收 FIFO 代表接收電路和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

5、SDIO的特殊功能寄存器

SDIO電源控制寄存器(SDIO_POWER)

SDIO時鐘控制寄存器(SDIO_CLKCR) : 時鐘選擇、分頻

SDIO參數(shù)寄存器(SDIO_ARG)

SDIO命令寄存器(SDIO_CMD)：控制發(fā)送命令

SDIO命令響應寄存器(SDIO_RESPCMD)：包含響應命令中的命令索引

SDIO響應1..4寄存器(SDIO_RESPx)：包含響應命令中的卡狀態(tài)信息

SDIO數(shù)據(jù)定時器寄存器(SDIO_DTIMER)

SDIO數(shù)據(jù)長度寄存器(SDIO_DLEN)：讀或者寫的長度，通常是是512的倍數(shù)

SDIO數(shù)據(jù)控制寄存器(SDIO_DCTRL)：控制數(shù)據(jù)的讀寫方向、使能傳輸?shù)刃畔?/p>

SDIO數(shù)據(jù)計數(shù)器寄存器(SDIO_DCOUNT)：當DPSM狀態(tài)機從Idle state切換到Wait_R或者Wait_S狀態(tài)時，SDIO_LEN的數(shù)值加載到該寄存器中

SDIO狀態(tài)寄存器(SDIO_STA)

SDIO清除中斷寄存器(SDIO_ICR)

SDIO中斷屏蔽寄存器(SDIO_MASK)

SDIO FIFO計數(shù)器寄存器(SDIO_FIFOCNT)：當SDIO_DCTRL中的DTEN使能，并且DPSM處于Idle state時，SDIO_LEN/4的數(shù)值加載到該寄存器中

SDIO數(shù)據(jù)FIFO寄存器(SDIO_FIFO)：讀寫數(shù)據(jù)緩沖FIFO

七、SD卡編程

SD卡的編程在STM32官方固件庫中就有例程，而且野火開發(fā)板對該例程進行了中文注釋，不必再把源碼貼入。這里著重講一下SD卡編程流程，主要包含SD卡初始化、SD卡讀、SD卡寫、SD卡擦除。

1、SD卡編程的內容

SD卡主要就是用來存儲數(shù)據(jù)的，所以核心就是讀寫。為了實現(xiàn)這個目標，必須實現(xiàn)響應的驅動。

配置過程中，不僅要設置好SD控制器，還需要將SD卡設置到合適的狀態(tài)。在讀取狀態(tài)的時候，不僅涉及到SD控制器的狀態(tài)，還涉及到SD卡的狀態(tài)。

2、SD卡初始化

① STM32外設SDIO初始化

端口配置、端口時鐘、SDIO時鐘、DMA2時鐘使能

SDIO寄存器復位

設置時鐘SDIO_CK為400KHz以下，設置數(shù)據(jù)線寬度，開啟時鐘、開啟SDIO電源

② SD卡上電初始化

上電初始化流程如上圖所示，筆者認為官方庫提供的例程沒有完全按照這個流程圖的指示去做。事實上，官方庫的程序只做了如上圖紅色方框內的流程，之外的沒涉及。

CMD0命令復位所有的卡。

SD協(xié)議規(guī)定：在初始化的時候，使用ACMD41之前，必須先使用CMD8命令。而且ACMD41命令屬于應用命令，在使用之前需要先發(fā)送命令CMD55。

CMD8命令是為了核查電源是否匹配。ACMD41命令不斷詢問SD卡是否支持主機提供的電壓，并且詢問SD卡是否上電完成進入準備狀態(tài)。ACMD41命令還能詢問SD卡的類型（SDSC、SDHC）。

③卡進一步核查、獲取卡信息

發(fā)送命令CMD2，以獲取CID信息。

發(fā)送命令CMD3，以獲取RCA相對地址，可以通過多次發(fā)送CMD3獲取不同的RCA值，但是只有最后一次的才是有效的RCA地址。

發(fā)送命令CMD9，以獲取CSD寄存器。

④ 設置SDIO工作在數(shù)據(jù)傳輸模式

設置SDIO的時鐘為24MHz、數(shù)據(jù)線寬度為4位。

通過SD_GetCardInfo函數(shù)將之前得到CID、CSD處理成卡的信息。

通過CMD7命令選擇匹配地址的卡，而取消選擇其他的卡。

至此，初始化完成。

3、讀SD卡的一個塊

數(shù)據(jù)控制寄存器（SDIO_DCTRL）清零

發(fā)送命令CMD16，設置SD卡的Block大小

調用函數(shù)SDIO_DataConfig設置SDIO數(shù)據(jù)傳輸方式

發(fā)送命令CMD17，讀單個塊

SDIO數(shù)據(jù)傳輸結束中斷使能

SDIO的DMA傳輸功能使能

DMA設置，并使能

4、寫SD卡的一個塊

數(shù)據(jù)控制寄存器（SDIO_DCTRL）清零

發(fā)送命令CMD16，設置SD卡的Block大小

發(fā)送命令CMD24，寫單個塊

調用函數(shù)SDIO_DataConfig設置SDIO數(shù)據(jù)傳輸方式

SDIO數(shù)據(jù)傳輸結束中斷使能

DMA設置，并使能

使能SDIO的DMA傳輸功能

八、SD卡疑惑

1、SD卡擦除后，其中的內容是0，還是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》)

也就是說這是芯片廠商生產(chǎn)工藝決定的，可以通過SCR寄存器的 DATA_STAT_AFTER_ERASE位得知。

2、在SDIO_DCTRL中設置傳輸Block的要求

Block大小決定了主機在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送到什么程度時開始發(fā)送CRC校驗碼；而在接收數(shù)據(jù)時，在接收到什么程度時開始把SD卡的數(shù)據(jù)作為CRC校驗碼并進行校驗。Block還可能影響著其他的時序。在STM32的SDIO寄存器組中，SDIO_DCTRL中的位段DBLOCKSIZE決定主機Block大小。

在摘自《Simplified_SD_Host_Controller_Spec.pdf》的引文中，提到這樣的配置要求：主機的Block一定要與SD卡設置的Block一樣大小，這顯然是必要的。我們經(jīng)常設置SD卡的Block大小是512Bytes，所以設置DBLOCKSIZE為9（2^9 = 512）。

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

4、SD卡寫B(tài)lock是怎樣進行的？

寫SD卡的單位是Block（512Bytes），再寫之前要先整塊擦除，然后才能寫。

在多塊寫操作中，可以在發(fā)送多塊寫命令CMD25之前，有選擇性的先發(fā)送命令ACMD23設置預擦除。怎樣理解呢？

既然是有選擇性的，也可以不發(fā)送ACMD23命令。在多塊寫的過程中，由于SD卡事先不知道你要寫入幾個塊（CMD25命令只告訴SD卡要寫入的起始地址），所以寫入的過程是：根據(jù)需要判斷要寫一個塊時，先擦除然后再寫，再判斷是否要寫入下一個塊，如果是就再擦除再寫。

倘若發(fā)送ACMD23命令就不一樣了，ADM23命令會在寫命令CMD25生效之前，告訴SD卡準備寫入的塊數(shù)N。這樣當CMD25命令生效的時候，SD卡會一次性先將這N個塊都擦除，然后再一個塊一個塊寫。由于擦除操作比較集中，所以整個多塊寫操作更節(jié)省時間。

九、SD卡參數(shù)測試

使用野火開發(fā)板配套例程做測試，筆者測試用的SD卡是金士頓的2G內存塊，打印SD卡的參數(shù)信息如下：

CardTypeis：1
ManufacturerIDis：2

Carddevicesizeis：3795
CardBlockSizeis：1024
Carddevicesizemultiplieris：7
CardCapacityis：1990197248

themaximumreaddateblocklengthis：1024
partialblocksforwriteallowedis：0
themaximumwritedateblocklengthis：1024
erasesingleblockenableis：1
erasesectorsizeis：127
writeprotectgroupsizeis：0
RCAis：4660

Card Type：1 SDSC卡版本2.0

Card device size： C_SIZE（CSD），為3795

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

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

Card Capacity：1990197248 Bytes

計算方法（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最大為2GB。

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

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

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

erase single block enable：ERASE_BLK_EN（CSD），為1，支持單塊擦除

erase sector size：SECTOR_SIZE（CSD），實際扇區(qū)擦除的block數(shù)為（SECTOR_SIZE+1），為128 Blocks

write protect group size:WP_GRP_SIZE（CSD），實際保護的扇區(qū)數(shù)為（WP_GRP_SIZE+1），為1 Sector

RCA: SD卡相對地址為4660

參考資料：《Simplified_SDIO_Card_Spec.pdf》

《Simplified_Physical_Layer_Spec.pdf》

《Simplified_SD_Host_Controller_Spec.pdf》

《STM32芯片手冊》

來源：STM32嵌入式開發(fā)

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審核編輯 黃宇