STM32CubeMx之SD卡驱动

1.SD卡简介

SD存储卡(Secure Digital Memory Card)是一种基于半导体快闪存储器的新一代高速存储设备。SD存储卡的技术是从MMC卡(MultiMedia Card）格式上发展而来，在兼容SD存储卡基础上发展了SDIO(SD Input/ Output)卡，此兼容性包括机械，电子，电力，信号和软件，通常将SD、SDIO卡俗称SD存储卡。

SD卡具有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性，它被广泛地应用于便携式装置上，例如数码相机、平板电脑和多媒体播放器等。

SD卡支持两种总线方式：SD方式与SPI方式。其中SD方式采用 6 线制，使用CLK、CMD、DAT0~DAT3进行数据通信。而SPI方式采用4线制，使用CS、CLK、DataIn、DataOut 进行数据通信。

SD 方式时的数据传输速度与SPI方式要快，STM32F103ZE自带SDIO接口驱动，4位模式最高速度可达24MHZ，8位总线模式下可达48MHZ，本章节将介绍如何使用HAL库完成对SD卡驱动。

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2.SDIO简介

SD/SDIO MMC卡主机模块(SDIO)在AHB外设总线和多媒体卡(MMC)、 SD存储卡、 SDIO卡和CE-ATA设备间提供了操作接口。

SDIO的主要功能如下：

与多媒体卡系统规格书版本4.2全兼容。支持三种不同的数据总线模式：1位(默认)、 4位和8位。
与较早的多媒体卡系统规格版本全兼容(向前兼容)。
与较早的多媒体卡系统规格版本全兼容(向前兼容)。
与SD存储卡规格版本2.0全兼容。
与SD I/O卡规格版本2.0全兼容，支持良种不同的数据总线模式：1位(默认)和4位。
完全支持CE-ATA功能(与CE-ATA数字协议版本1.1 全兼容)。
8位总线模式下数据传输速率可达48MHz

2.1SDIO总线拓扑

总线上的通信是通过传送命令和数据实现。
在多媒体卡/SD/SD I/O总线上的基本操作是命令/响应结构，这样的总线操作在命令或总线机制下实现信息交换；另外，某些操作还具有数据令牌。
在SD/SDIO存储器卡上传送的数据是以数据块的形式传输；在MMC上传送的数据是以数据块或数据流的形式传输；在CE-ATA设备上传送的数据也是以数据块的形式传输。

SDIO“无响应”和“无数据”操作

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SDIO(多)数据块读操作

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SDIO(多)数据块写操作

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SDIO(多)数据块写操作

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注意：当有Busy(繁忙)信号时， SDIO(SDIO_D0被拉低)将不会发送任何数据。

SDIO连续读操作

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SDIO连续写操作

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2.2 SDIO功能描述

SDIO包含2个部分：

● SDIO适配器模块：实现所有MMC/SD/SDIO卡的相关功能，如时钟的产生、命令和数据的传送。
● AHB总线接口：操作SDIO适配器模块中的寄存器，并产生中断和DMA请求信号。

SDIO框图

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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。

如果一个 SD 或 SDIO 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：

● 用于初始化时的开路模式(仅用于MMC版本V3.31 或之前版本)。

● 用于命令传输的推挽模式(SD/SD I/O卡和MMC V4.2在初始化时也使用推挽驱动)。

SDIO_CK是卡的时钟：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或SDIO卡，时钟频率可以在0MHz至25MHz间变化。

SDIO使用两个时钟信号：

● SDIO适配器时钟(SDIOCLK=HCLK)
● AHB总线时钟(HCLK/2)

引脚定义：

引脚	定义	说明
SDIO_CK	输出	多媒体卡/SD/SDIO卡时钟。这是从主机至卡的时钟线。
SDIO_CMD	双向	多媒体卡/SD/SDIO卡命令。这是双向的命令/响应信号线。
SDIO_D[0:7]	双向	多媒体卡/SD/SDIO卡数据。这些是双向的数据总线。

2.3 SDIO适配器

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SDIO适配器是多媒体/加密数字存储卡总线的主设备(主机)，用于连接一组多媒体卡或加密数字存储卡，它包含以下5个部分：

● 适配器寄存器模块
● 控制单元
● 命令通道
● 数据通道
● 数据FIFO
注意：适配器寄存器和FIFO使用AHB总线一侧的时钟(HCLK/2)，控制单元、命令通道和数据通道使用SDIO适配器一侧的时钟(SDIOCLK)。

关于SDIO详细介绍请参考STM32中文手册。

3.SD硬件接口

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引脚	SDIO	SPI
SDIO_D2(PC10)	数据线
SDIO_D3(PC11)	数据线	SPI_CS 片选
SDIO_CMD(PD2)	控制线	SPI_MOSI主机输出
SDIO_SCK(PC12)	时钟	SPI_SCK时钟线
SDIO_D0(PC8)	数据线	SPI_MISO主机输入
SDIO_D1(PC9)	数据线

4 软件设置

1.芯片选择

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2.时钟配置

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3.SDIO配置

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5 代码生成

1.SD初始化

相关配置可参考STM32中文参考手册_V1.0第20.9.2时钟控制寄存器SDIO_CLKCR。

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void MX_SDIO_SD_Init(void)
{

/* USER CODE BEGIN SDIO_Init 0 */

/* USER CODE END SDIO_Init 0 */

/* USER CODE BEGIN SDIO_Init 1 */

/* USER CODE END SDIO_Init 1 */
hsd.Instance = SDIO;
hsd.Init.ClockEdge = SDIO_CLOCK_EDGE_RISING;//在主时钟SDIOCLK的上升沿产生SDIO_CK
hsd.Init.ClockBypass = SDIO_CLOCK_BYPASS_DISABLE;//盘路时钟失能
hsd.Init.ClockPowerSave = SDIO_CLOCK_POWER_SAVE_DISABLE;//始终输出SDIO_CK
hsd.Init.BusWide = SDIO_BUS_WIDE_1B;//总线宽度
hsd.Init.HardwareFlowControl = SDIO_HARDWARE_FLOW_CONTROL_DISABLE;//关闭硬件流控制
//当SD/SDIO卡或多媒体卡在识别模式， SDIO_CK的频率必须低于400kHz。
hsd.Init.ClockDiv = 6;//时钟分频系数，SDIO_CK=HCLK/(ClockDiv+2)
if (HAL_SD_Init(&hsd) != HAL_OK)//SD初始化
  {
Error_Handler();
  }
if (HAL_SD_ConfigWideBusOperation(&hsd, SDIO_BUS_WIDE_4B) != HAL_OK)//配置总线宽度
  {
Error_Handler();
  }
/* USER CODE BEGIN SDIO_Init 2 */
hsd.Init.ClockDiv=0;//重新设置时钟速度
/* USER CODE END SDIO_Init 2 */

}

2.SD读写扇区函数

为了方便后续FATFS文件系统移植，我们这里封装两个函数SD卡写扇区和读扇区。

void SD_WriteDisk(uint8_t *buf,uint32_t sector_add,uint32_t cnt)
{
HAL_SD_WriteBlocks(&hsd,buf,sector_add,cnt,5000);//SD卡写块
while(HAL_SD_GetCardState(&hsd)!=HAL_SD_CARD_TRANSFER);//等待数据传输完成

}
void SD_ReadDisk(uint8_t *buf,uint32_t sector_add,uint32_t cnt)
{
HAL_SD_ReadBlocks(&hsd,buf,sector_add,cnt,5000);//SD卡读块
while(HAL_SD_GetCardState(&hsd)!=HAL_SD_CARD_TRANSFER);//等待数据传输完成
}

3.主函数

初始化HAL库、GPIO端口、LCD屏(FSMC驱动)、SD卡初始化；获取卡类型、卡容量，最后调用SD卡读写扇区函数实现数据读写测试。

int main(void)
{
/* USER CODE BEGIN 1 */

/* USER CODE END 1 */

/* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

/* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
HAL_Init();

/* USER CODE BEGIN Init */

/* USER CODE END Init */

/* Configure the system clock */
SystemClock_Config();

/* USER CODE BEGIN SysInit */

/* USER CODE END SysInit */

/* Initialize all configured peripherals */
MX_GPIO_Init();
MX_FSMC_Init();
MX_SDIO_SD_Init();
MX_USART1_UART_Init();
MX_SPI2_Init();
/* USER CODE BEGIN 2 */
char buff[200];
NT35310_Init();//LCD初始化
LCD_Display_Str(LCD_WIDTH/2-strlen("SD卡初始化")/2*8,20,16,(u8 *)"SD卡初始化",BLACK);
if(hsd.State!=HAL_SD_STATE_READY)
  {
LCD_Display_Str(20,40,16,(u8 *)"SD Init  ERR",RED);
  }
else
  {
LCD_Display_Str(20,40,16,(u8 *)"SD Init  OK",RED);
LCD_Display_Str(20,60,16,(u8 *)"卡类型:",RED);
if(hsd.SdCard.CardType==CARD_SDHC_SDXC)//2.0告诉卡
    {
LCD_Display_Str(20+8+strlen("卡类型:")*8,60,16,(u8 *)"SDHC",RED);
    }
else if(hsd.SdCard.CardType==CARD_SDSC)//2.0普通卡
    {
LCD_Display_Str(20+8+strlen("卡类型:")*8,60,16,(u8 *)"SDSC",RED);
    }
snprintf(buff,sizeof(buff),"块大小: %d byte\n",hsd.SdCard.BlockSize);
LCD_Display_Str(20,80,16,(u8 *)buff,RED);
snprintf(buff,sizeof(buff),"卡容量大小: %.2f GB\n",(hsd.SdCard.BlockNbr>>11)/1024.0);
LCD_Display_Str(20,100,16,(u8 *)buff,RED);
  }
LCD_Display_Str(LCD_WIDTH/2-strlen("SD数据读写测试")/2*8,130,16,(u8 *)"SD数据读写测试",BLACK);
SD_WriteDisk(buf_tx,100,2);
LCD_Display_Str(20,150,16,(u8 *)"SD写数据: OK",RED);
SD_ReadDisk(buf_rx,100,3);
LCD_Display_Str(20,170,16,(u8 *)"SD读数据: OK",RED);
LCD_Display_Str(20,190,16,(u8 *)"数据内容:",RED);
LCD_Display_Str(20,210,16,(u8 *)buf_rx,BLUE);
/* USER CODE END 2 */

/* Infinite loop */
/* USER CODE BEGIN WHILE */
while (1)
  {
/* USER CODE END WHILE */

/* USER CODE BEGIN 3 */
  }
/* USER CODE END 3 */
}

4.运行效果

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