SD卡和文件系统那些事儿

        最近在研究STM32F4的SD卡Fatfs文件系统，官方和开发板提供的例程完全可以使用，但是缺少了理论的支持，完全看不懂。所以在网上以及《零死角玩转STM32》上整理了一些SD卡相关的基础知识。

SD卡的分类

目前常用的存储卡按照尺寸可分为SD卡和micro SD卡（TF卡）（其实种类繁多，我只接触过这两种），按照容量可分为标准容量SD（不大于2GB）、高容量SDHC（大于2GB，不大于32GB）和超大容量SDXC（大于32GB，不大于2TB），还可以按照传输速度进行划分，SD2.0规范中分为Class2，Class4，Class6和Class10，SD3.01规范中分为USH-I和USH-II。

其实，了解了SD卡的分类，不同速度等级的应用场景，看懂SD卡上的标识，足可以应付在生活中使用SD卡，例如：行车记录仪要求SD卡的速度等级为Class10。

容量及磁盘格式对照表

容量等级	容量范围	磁盘格式
SD	上限至2GB	FAT12、FAT16
SDHC	2GB至32GB	FAT32
SDXC	32GB至2TB	exFAT

 

 

速度等级及应用范围

速度等级	速度（MB/S）	应用范围
Class 0	—	低于Class 2和未标注Speed Class的情况
Class 2	最低写入2.0 MB/S	观看普通清晰度电视，数码相机连拍
Class 4	最低写入4.0 MB/S	流畅播放高清电视（HDTV），数码相机连拍
Class 6	最低写入6.0 MB/S	单反相机连拍，以及专业设备的使用
Class 10	最低写入10 MB/S	全高清电视的录制和播放
UHS-I	写入50 MB/S以内，读取104 MB/S以内	专业全高清电视实时录制
UHS-II	写入156 MB/S以内，读取312 MB/S以内	未来世界

 

                                                                          SD上常见的标识

                                                                        

SD卡引脚

SD卡有9个引脚，TF卡有8个引脚，引脚顺序是面向卡的引脚，左侧第一个是引脚1，依次类推。

CMD：命令控制线，主机通过该线发送控制命令，SD卡也是通过该线传输应答信息。通过管脚的名称可以看出它的功能，下面简单介绍了一下CMD。

SD分为卡识别阶段和数据传输阶段，两个阶段的时钟是有区别的：

• 识别阶段时钟频率FOD，最高400KHz。
• 数据传输模式时钟频率FPP，默认最高25MHz

SD卡忙状态通过把D0拉低来表示。

SD卡寄存器

SD卡内部共有8个寄存器，必须通过命令来进行访问，SDIO定义了64个访问SD卡的命令。

SD卡寄存器

名称	Bit宽度	描述
CID	128	卡识别号(Card Identification)
RCA	16	相对卡地址(Relative Card Address)
DSR	16	驱动级寄存器(Driver Stage Register)
CSD	128	卡的特定数据(Card Specific Data)
SCR	64	SD配置寄存器(SD Configuration Register)
OCR	32	操作条件寄存器(Operation Conditions Register)
SSR	512	SD状态寄存器(SD Status)
CSR	32	卡状态寄存器(Card Status)

SD卡数据包格式

SD卡有常规数据（8bit）和宽位数据（512bit）两种格式的数据包。它先发低字节再发高字节，而每
个字节则是先发高位再发低位。

                

SD卡命令

SD命令格式，共计48位。依次为：起始位、传输标志、命令+地址信息/参数、CRC7校验和终止位。

0	1	CONTENT	CRC	1
1	1	6+32	7	1

SD卡命令类型有四种：

• 无响应广播命令（bc），发送到所有卡，不返回任务响应；
• 带响应广播命令（bcr），发送到所有卡，同时接收来自所有卡响应；
• 寻址命令（ac），发送到选定卡，DAT线无数据传输；
• 寻址数据传输命令（adtc），发送到选定卡，DAT线有数据传输；

在标准中定义了两种类型的通用命令：特定应用命令（ACMD）和常规命令（GEN_CMD）

SD卡部分常用命令

命令序号	类型	参数	响应	缩写	描述
基本命令（Class 0）
CMD0	bc	[31:0]填充位	—	GO_IDEL_STATE	复位所有的卡到idle状态
CMD2	bcr	[31:0]填充位	R2	ALL_SEND_CID	通知所有的卡通过CMD线返回CID值。
CMD3	bcr	[31:0]填充位	R6	SEND_RELATIVE_ADDR	通知所有卡发布新RCA。
CMD4	bc	[31:16]DSR[15:0]填充位	—	SET_DSR	编程所有卡的DSR。
CMD7	ac	[31:16]RCA[15:0]填充位	R1b	SELECT/DESELECT_CARD	选择/取消选择RCA地址卡。
CMD8	bcr	[31:12]保留位 [11:8]VHS [7:0]检查模式	R7	SEND_IF_COND	发送SD卡接口条件，包含主机支持的电压信息，并询问卡是否支持。
CMD9	ac	[31:16]RCA[15:0]填充位	R2	SEND_CSD	选定卡通过CMD线发送CSD内容。
CMD10	ac	[31:16]RCA[15:0]填充位	R2	SEND_CID	选定卡通过CMD线发送CID内容。
CMD12	ac	[31:0]填充位	R1b	STOP_TRANSMISSION	强制卡停止传输。
CMD13	ac	[31:16]RCA[15:0]填充位	R1	SEND_STATUS	选定卡通过CMD线发送它状态寄存器
CMD15	ac	[31:16]RCA[15:0]填充位	—	GO_INACTIVE_STATE	使选定卡进入“inactive”状态
面向块的读操作（Class 2）
CMD16	ac	[31:0]块长度	R1	SET_BLOCK_LEN	对于标准SD卡，设置块命令的长度，对于SDHC卡块命令长度固定为512字节。
CMD17	adtc	[31:0]数据地址	R1	READ_SINGLE_BLOCK	对于标准SD卡，读取SET_BLOCK_LEN长度字节的块，对于SDHC卡，读取512字节的块。
CMD18	adtc	[31:0]数据地址	R1	READ_MULTIPLE_BLOCK	连续从SD卡读取数据块，直到被CMD12中断。块长度同CMD17。
面向块的写操作（Class 4）
CMD24	adtc	[31:0] 数据地址	R1	WRITE_BLOCK	对于标准SD卡，写入SET_BLOCK_LEN长度字节的块，对于SDHC卡，写入512字节的块。
CMD25	adtc	[31:0]数据地址	R1	WRITE _ MULTIPLE _BLOCK	连续向SD卡写入数据块，直到被CMD12中断。块长度同CMD17。
CMD27	adtc	[31:0] 填充位	R1	PROGRAM_CSD	对CSD的可编程位进行编程。
擦除命令（Class 5）
CMD32	ac	[31:0] 数据地址	R1	ERASE_WR_BLK_START	设置擦除的起始块地址。
CMD33	ac	[31:0]数据地址	R1	ERASE_WR_BLK_END	设置擦除的结束块地址。
CMD38	ac	[31:0] 填充位	R1b	ERASE	擦除预先选定的块。
加锁命令（Class 7）
CMD42	adtc	[31:0]保留	R1	LOCK_UNLOCK	加锁/解锁SD卡。
特定应用命令（Class 8）
CMD55	ac	[31:16]RCA[15:0]填充位	R1	APP_CMD	指定下个命令为特定应用命令，不是标准命令。
CMD56	adtc	[31:1] 填充位 [0] 读/写	R1	GEN_CMD	通用命令，或者特定应用命令中，用于传输一个数据块，最低位1表示读数据，为0表示写数据。
SD卡特定应用命令
ACMD6	ac	[31:2] 填充位 [1:0] 总线宽度	R1	SET_BUS_WIDTH	定义数据总线宽度（‘00’=1bit，‘10’=4bit）。
ACMD13	adtc	[31:0] 填充位	R1	SD_STATUS	发送SD状态.
ACMD41	bcr	[31] 保留位 [30] HCS（OCR[30]）[29：24] 保留位[23：0]VDD电压（OCR[23:0]）	R3	SD_SEND_OP_COND	主机要求卡发送它的支持信息（HCS）和OCR寄存器内容。
ACMD51	adtc	[31:0] 填充位	R1	SEND_SCR	读取配置寄存器SCR.

响应类型

SD卡有R1、R2、R3、R6、R7这几种响应类型，不同的命令对应的响应类型是不一样的。

SD卡响应类型及格式

R1（正常响应命令）
描述	起始位	传输位	命令号	卡状态					CRC7		终止位
Bit	47	46	[45:40]	[39:8]					[7:1]		0
位宽	1	1	6	32					7		1
值	“0”	“0”	X	X					X		“1”
备注	如果有传输到卡的数据，那么在数据线可能有busy信号。
R2（CID、CSD寄存器）
描述	起始位	传输位	保留	[127:1]							终止位
Bit	135	134	[133:128]	127							0
位宽	1	1	6	X							1
值	“0”	“0”	“111111”	CID或者CSD寄存器[127:1]位的值							“1”
备注	CID寄存器内容作为CMD2和CMD10响应，CSD寄存器内容作为CMD9响应。
R3（OCR寄存器）
描述	起始位	传输位	保留	OCR寄存器				保留			终止位
Bit	47	46	[45:40]	[39:8]				[7:1]			0
位宽	1	1	6	32				7			1
值	“0”	“0”	“111111”	X				“1111111”			“1”
备注	OCR寄存器的值作为ACMD41的响应。
R6（发布的RCA寄存器响应）
描述	起始位	传输位	CMD3	RCA寄存器		卡状态位				CRC7	终止位
Bit	47	46	[45:40]	[39:8]						[7:1]	0
位宽	1	1	6	16		16				7	1
值	“0”	“0”	“000011”	X		X				X	“1”
备注	专用于命令CMD3的响应。
R7（发布的RCA寄存器响应）
描述	起始位	传输位	CMD8	保留	接收电压		检测模式			CRC7	终止位
Bit	47	46	[45:40]	[39:20]	[19:16]		[15:8]			[7:1]	0
位宽	1	1	6	20	4		8			7	1
值	“0”	“0”	“001000”	“00000h”	X		X			X	“1”
备注	专用于命令CMD8的响应，返回卡支持电压范围和检测模式。

SD卡状态

SD卡的操作模式和状态如下表所示。接下来的两张图片也卡模式和数据传输模式下的状态切换。

SD卡模式及状态

操作模式	SD卡状态
无效模式（Inactive）	无效状态（Inactive State）
卡识别模式（Card identification mode）	空闲状态（Idle State）
	准备状态（Ready State）
	识别状态（Identification State）
数据传输模式（Data transfer mode）	待机状态（Stand-by State）
	传输状态（Transfer State）
	发送数据状态（Sending-data State）
	接收数据状态（Receive-data State）
	编程状态（Programming State）
	断开连接状态（Disconnect State）

                                           

                                          

现在就可以通过SD卡的状态、模式、命令、响应等信息来仔细阅读STM32的sdio.c文件了。由于我也不太懂所以，还没有具体的内容来提供。接下来我们去看看SD卡是如何Fatfs关联上的。

文件系统Fatfs

在Fatfs下面有diskio.c这个文件，这个文件中定义了五个接口，被ff.c文件调用，ff.c文件提供了open(),close(),write(),read()等等文件系统常用的接口。Fatfs的移植就是主要是更改diskio.c这个文件，通过五个接口来适配不同的存储介质，如SD卡、U盘、Flash等。

• DSTATUS disk_status (BYTE pdrv)；
• DSTATUS disk_initialize ( BYTE pdrv )；
• DRESULT disk_read (BYTE pdrv, BYTE *buff,DWORD sector, UINT count  )；
• DRESULT disk_write (BYTE pdrv,   const BYTE *buff, DWORD sector, UINT count)；
• DRESULT disk_ioctl (BYTE pdrv, BYTE cmd,void *buff )；

在这5个接口中，有一个共同的形参pdrv，他就是不同的存储介质SD卡、U盘、Flash。

结语

ST的例程，开发板的例程，我们完全可以拿来稍加修改就可以使用。我们完全可以不明就里的拿来就用，好用就行，能交差就行，但是不明不白的拿来就用使我心里很不舒服，必须简单的弄明白原理，弄清楚结构，这样除了问题也能更快的定位。上面写了那么多，我也还是没有完全弄明白，随用随学吧！