每日观察!STM32之SD卡驱动

来源：互联网　2022-09-11 20:14:15

(相关资料图)

很多单片机系统都需要大容量存储设备，以存储数据。目前常用的有U盘，FLASH芯片，SD卡等。他们各有优点，综合比较，最适合单片机系统的莫过于SD卡了，它不仅容量可以做到很大（32Gb以上），而且支持SPI接口，方便移动，并且有几种体积的尺寸可供选择（标准的SD卡尺寸，以及TF卡尺寸等），能满足不同应用的要求。只需要4个IO口即可外扩一个最大达32GB以上的外部存储器，容量从几十M到几十G选择尺度很大，更换也很方便，编程也简单，是单片机大容量外部存储器的首选。ALIENTKE战舰STM32开发板自带了标准的SD卡接口，可使用STM32自带的SPI/SDIO接口驱动（通过跳线帽选择驱动方式），本章我们使用SPI驱动，最高通信速度可达18Mbps，每秒可传输数据2M字节以上，对于一般应用足够了。在本章中，我们将向大家介绍，如何在ALIENTEK战舰STM32开发板上实现SD卡的读取。本章分为如下几个部分：44.1 SD卡简介44.2硬件设计44.3软件设计44.4下载验证
44.1 SD卡简介SD卡（Secure Digital Memory Card）中文翻译为安全数码卡，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。大小犹如一张邮票的SD记忆卡，重量只有2克，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。按容量分类，可以将SD卡分为3类：SD卡、SDHC卡、SDXC卡。如表44.1.1所示：

容量	命名	简称
0~2G	Standard Capacity SD Memory Card	SDSC或SD
2G~32G	High Capacity SD Memory Card	SDHC
32G~2T	Extended Capacity SD Memory Card	SDXC

表44.1.1 SD卡按容量分类SD卡和SDHC卡协议基本兼容，但是SDXC卡，同这两者区别就比较大了，本章我们讨论的主要是SD/SDHC卡（简称SD卡）。SD卡一般支持2种操作模式：1，SD卡模式（通过SDIO通信）；2，SPI模式；主机可以选择以上任意一种模式同SD卡通信，SD卡模式允许4线的高速数据传输。SPI模式允许简单的通过SPI接口来和SD卡通信，这种模式同SD卡模式相比就是丧失了速度。SD卡的引脚排序如下图44.1.1所示：图44.1.1 SD卡引脚排序图SD卡引脚功能描述如表45.1.2所示：表45.1.2 SD卡引脚功能表SD卡只能使用3.3V的IO电平，所以，MCU一定要能够支持3.3V的IO端口输出。注意：在SPI模式下，CS/MOSI/MISO/CLK都需要加10~100K左右的上拉电阻。SD卡有5个寄存器，如表45.1.3所示：

名称	宽度	描述
CID	128	卡标识寄存器
RCA	16	相对卡地址（Relative card address）寄存器:本地系统中卡的地址，动态变化，在主机初始化的时候确定*SPI模式中没有
CSD	128	卡描述数据:卡操作条件相关的信息数据
SCR	64	SD配置寄存器:SD卡特定信息数据
OCR	32	操作条件寄存器

表45.1.3 SD卡相关寄存器关于这些寄存器的详细描述，请参考光盘相关SD卡资料。我们在这里就不描述了。接下来，我们看看SD卡的命令格式，如表45.1.4所示：

字节1			字节2--5	字节6
7	6	50	310	71	0
0	1	command	命令参数	CRC	1

表45.1.4 SD卡命令格式SD卡的指令由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，为10000即16进制的0X10，完整的CMD16，第一个字节为01010000，即0X10+0X40）。字节2~5为命令参数，有些命令是没有参数的。字节6的高七位为CRC值，最低位恒定为1。SD卡的命令总共有12类，分为Class0~Class11，本章，我们仅介绍几个比较重要的命令，如表45.1.5所示：

命令	参数	回应	描述
CMD0(0X00)	NONE	R1	复位SD卡
CMD8(0X08)	VHS+Check pattern	R7	发送接口状态命令
CMD9(0X09)	NONE	R1	读取卡特定数据寄存器
CMD10(0X0A)	NONE	R1	读取卡标志数据寄存器
CMD16(0X10)	块大小	R1	设置块大小（字节数）
CMD17(0X11)	地址	R1	读取一个块的数据
CMD24(0X18)	地址	R1	写入一个块的数据
CMD41(0X29)	NONE	R3	发送给主机容量支持信息和激活卡初始化过程
CMD55(0X37)	NONE	R1	告诉SD卡，下一个是特定应用命令
CMD58(0X3A)	NONE	R3	读取OCR寄存器

表45.1.5 SD卡部分命令上表中，大部分的命令是初始化的时候用的。表中的R1、R3和R7等是SD卡的回应，SD卡和单片机的通信采用发送应答机制，如图45.1.2所示：图45.1.2 SD卡命令传输过程每发送一个命令，SD卡都会给出一个应答，以告知主机该命令的执行情况，或者返回主机需要获取的数据。SPI模式下，SD卡针对不同的命令，应答可以使R1~R7，R1的应答，各位描述如表45.1.6所示：

R1响应格式
位	7	6	5	4	3	2	1	0
含义	开始位始终为0	参数错误	地址错误	擦除序列错误	CRC错误	非法命令	擦除复位	闲置状态

表45.1.6 R1响应各位描述R2~R7的响应，我们就不介绍了，请的大家参考SD卡2.0协议。接下来，我们看看SD卡初始化过程。因为我们使用的是SPI模式，所以先得让SD卡进入SPI模式。方法如下：在SD卡收到复位命令（CMD0）时，CS为有效电平（低电平）则SPI模式被启用。不过在发送CMD0之前，要发送>74个时钟，这是因为SD卡内部有个供电电压上升时间，大概为64个CLK，剩下的10个CLK用于SD卡同步，之后才能开始CMD0的操作，在卡初始化的时候，CLK时钟最大不能超过400Khz！。接着我们看看SD卡的初始化，SD卡的典型初始化过程如下：1、初始化与SD卡连接的硬件条件（MCU的SPI配置，IO口配置）；2、上电延时（>74个CLK）；3、复位卡（CMD0），进入IDLE状态；4、发送CMD8，检查是否支持2.0协议；5、根据不同协议检查SD卡（命令包括：CMD55、CMD41、CMD58和CMD1等）；6、取消片选，发多8个CLK，结束初始化这样我们就完成了对SD卡的初始化，注意末尾发送的8个CLK是提供SD卡额外的时钟，完成某些操作。通过SD卡初始化，我们可以知道SD卡的类型（V1、V2、V2HC或者MMC），在完成了初始化之后，就可以开始读写数据了。SD卡读取数据，这里通过CMD17来实现，具体过程如下：1、发送CMD17；2、接收卡响应R1；3、接收数据起始令牌0XFE；4、接收数据；5、接收2个字节的CRC，如果不使用CRC，这两个字节在读取后可以丢掉。6、禁止片选之后，发多8个CLK；以上就是一个典型的读取SD卡数据过程，SD卡的写于读数据差不多，写数据通过CMD24来实现，具体过程如下：1、发送CMD24;2、接收卡响应R1；3、发送写数据起始令牌0XFE；4、发送数据；5、发送2字节的伪CRC；6、禁止片选之后，发多8个CLK；以上就是一个典型的写SD卡过程。关于SD卡的介绍，我们就介绍到这里，更详细的介绍请参考光盘SD卡的参考资料（SD卡2.0协议）。44.2硬件设计本章实验功能简介：开机的时候先初始化SD卡，如果SD卡初始化完成，则提示LCD初始化成功。按下KEY0，读取SD卡扇区0的数据，然后通过串口发送到电脑。如果没初始化通过，则在LCD上提示初始化失败。同样用DS0来指示程序正在运行。本实验用到的硬件资源有：1）指示灯DS02）KEY0按键3）串口4）TFTLCD模块5）SD卡前面四部分，在之前的实例已经介绍过了，这里我们介绍一下战舰STM32开发板板载的SD卡接口和STM32的连接关系，如图44.2.1所示：图44.2.1 SD卡接口与STM32连接原理图我们用跳线帽将P10的SD_DT3、SD_CMD、SD_SCK、SD_DT0分别同P12的SD_CS、SPI2_MOSI、SPI2_SCK、SPI2_MISO连接起来，即实现SD卡的SPI模式连接。硬件连接示意图如图44.2.2所示：图44.2.2 SD卡SPI方式硬件连接示意图将图中所示的4处，用跳线帽短接，接口实现SD卡与STM32的SPI连接。最后，你还得自备一个SD卡，将其插入板子下面的SD卡接口。

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