MCU微課堂

CKS32F4xx系列SDIO

第二十四期 2023.10.5

很多單片機(jī)系統(tǒng)都需要大容量存儲(chǔ)設(shè)備，以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。目前常用的有U盤，F(xiàn)LASH芯片，SD卡等。他們各有優(yōu)點(diǎn)，綜合比較，最適合單片機(jī)系統(tǒng)的莫過于SD卡了，它不僅容量可以做到很大（32GB以上），支持SPI/SDIO驅(qū)動(dòng)，而且有多種體積的尺寸可供選擇（標(biāo)準(zhǔn)的SD卡尺寸，以及TF卡尺寸等），能滿足不同應(yīng)用的要求。

CKS32F4xx系列的SDIO控制器支持多媒體卡（MMC卡）、SD存儲(chǔ)卡、SD I/O卡和CE-ATA設(shè)備等。SDIO的主要功能如下： 1. 與多媒體卡系統(tǒng)規(guī)格書版本4.2全兼容。支持三種不同的數(shù)據(jù)總線模式：1位(默認(rèn))、4位和8位。 2. 與較早的多媒體卡系統(tǒng)規(guī)格版本全兼容(向前兼容)。 3. 與SD存儲(chǔ)卡規(guī)格版本2.0全兼容。 4. 與SD I/O卡規(guī)格版本2.0全兼容：支持良種不同的數(shù)據(jù)總線模式：1位(默認(rèn))和4位。 5. 完全支持CE-ATA功能(與CE-ATA數(shù)字協(xié)議版本1.1全兼容)。8位總線模式下數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)48MHz（分頻器旁路時(shí)）。 數(shù)據(jù)和命令輸出使能信號(hào)，用于控制外部雙向驅(qū)動(dòng)器。

SDIO主要功能及框圖

CKS32F4xx系列的SDIO控制器包含2個(gè)部分：SDIO適配器模塊和APB2總線接口，其功能框圖如下：

圖1?CKS32F4xx系列SDIO控制器功能框圖

復(fù)位后默認(rèn)情況下SDIO_D0用于數(shù)據(jù)傳輸。初始化后主機(jī)可以改變數(shù)據(jù)總線的寬度（通過ACMD6命令設(shè)置）。 如果一個(gè)多媒體卡接到了總線上，則SDIO_D0、SDIO_D[3:0]或SDIO_D[7:0]可以用于數(shù)據(jù)傳輸。MMC版本V3.31和之前版本的協(xié)議只支持1位數(shù)據(jù)線，所以只能用SDIO_D0（為了通用性考慮，在程序里面我們只要檢測(cè)到是MMC卡就設(shè)置為1位總線數(shù)據(jù)）。 如果一個(gè)SD或SD I/O卡接到了總線上，可以通過主機(jī)配置數(shù)據(jù)傳輸使用SDIO_D0或SDIO_D[3:0]。所有的數(shù)據(jù)線都工作在推挽模式。 SDIO_CMD有兩種操作模式： ①用于初始化時(shí)的開路模式(僅用于MMC版本V3.31或之前版本) ②用于命令傳輸?shù)耐仆炷Ｊ?SD/SD I/O卡和MMC V4.2在初始化時(shí)也使用推挽驅(qū)動(dòng))

SDIO時(shí)鐘

SDIO總共有3個(gè)時(shí)鐘：

1. 卡時(shí)鐘（SDIO_CK）：每個(gè)時(shí)鐘周期在命令和數(shù)據(jù)線上傳輸1位命令或數(shù)據(jù)。對(duì)于多媒體卡V3.31協(xié)議，時(shí)鐘頻率可以在0MHz至20MHz間變化；對(duì)于多媒體卡V4.0/4.2協(xié)議，時(shí)鐘頻率可以在0MHz至48MHz間變化；對(duì)于SD或SD I/O卡，時(shí)鐘頻率可以在0MHz至25MHz間變化。

2. SDIO適配器時(shí)鐘（SDIOCLK）：該時(shí)鐘用于驅(qū)動(dòng)SDIO適配器，來自PLL48CK，一般為48Mhz，并用于產(chǎn)生SDIO_CK時(shí)鐘。

3. APB2總線接口時(shí)鐘（PCLK2）：該時(shí)鐘用于驅(qū)動(dòng)SDIO的APB2總線接口，其頻率為HCLK/2，一般為84Mhz。

我們的SD卡時(shí)鐘（SDIO_CK），根據(jù)卡的不同，可能有好幾個(gè)區(qū)間，這就涉及到時(shí)鐘頻率的設(shè)置，SDIO_CK與SDIOCLK的關(guān)系（時(shí)鐘分頻器不旁路時(shí)）為：

SDIO_CK=SDIOCLK/(2+CLKDIV)

其中，SDIOCLK為PLL48CK，一般是48Mhz，而CLKDIV則是分配系數(shù)，可以通過SDIO的SDIO_CLKCR寄存器進(jìn)行設(shè)置（確保SDIO_CK不超過卡的最大操作頻率）。注意，以上公式，是時(shí)鐘分頻器不旁路時(shí)的計(jì)算公式，當(dāng)時(shí)鐘分頻器旁路時(shí)，SDIO_CK直接等于 SDIOCLK。

這里要提醒大家，在SD卡剛剛初始化的時(shí)候，其時(shí)鐘頻率（SDIO_CK）是不能超過400Khz的，否則可能無法完成初始化。在初始化以后，就可以設(shè)置時(shí)鐘頻率到最大了（但不可超過SD卡的最大操作時(shí)鐘頻率）。

SDIO命令與響應(yīng)

SDIO的命令分為應(yīng)用相關(guān)命令（ACMD）和通用命令（CMD）兩部分，應(yīng)用相關(guān)命令（ACMD）的發(fā)送，必須先發(fā)送通用命令（CMD55），然后才能發(fā)送應(yīng)用相關(guān)命令（ACMD）。SDIO的所有命令和響應(yīng)都是通過SDIO_CMD引腳傳輸?shù)模魏蚊畹拈L度都是固定為48位，SDIO的命令格式如表1所示：

表1?SDIO命令格式

所有的命令都是由MCU發(fā)出，其中開始位、傳輸位、CRC7和結(jié)束位由SDIO硬件控制，我們需要設(shè)置的就只有命令索引和參數(shù)部分。其中命令索引（如CMD0，CMD1）在SDIO_CMD寄存器里面設(shè)置，命令參數(shù)則由寄存器SDIO_ARG設(shè)置。 一般情況下，選中的SD卡在接收到命令之后，都會(huì)回復(fù)一個(gè)應(yīng)答（CMD0是無應(yīng)答），這個(gè)應(yīng)答我們稱之為響應(yīng)，響應(yīng)也是在CMD線上串行傳輸?shù)摹KS32F4xx系列的SDIO控制器支持2種響應(yīng)類型，即：短響應(yīng)（48位）和長響應(yīng)（136位），這兩種響應(yīng)類型都帶CRC錯(cuò)誤檢測(cè)（不帶CRC的響應(yīng)應(yīng)忽略CRC錯(cuò)誤標(biāo)志，如CMD1響應(yīng)）。

表2 短響應(yīng)格式

表3?長響應(yīng)的格式

同樣，硬件為我們?yōu)V除了開始位、傳輸位、CRC7以及結(jié)束位等信息，對(duì)于短響應(yīng)，命令索引存放在SDIO_RESPCMD寄存器，參數(shù)則存放在SDIO_RESP1寄存器里面。對(duì)于長響應(yīng)，則僅留CID/CSD位域，存放在SDIO_RESP1~SDIO_RESP4等4個(gè)寄存器。SD存儲(chǔ)卡總共有5類響應(yīng)（R1、R2、R3、R6、R7），我們這里以R1為例簡單介紹一下。R1（普通響應(yīng)命令）響應(yīng)輸入短響應(yīng)，其長度為48位，R1響應(yīng)的格式如表4所示：

表4 R1響應(yīng)格式

在收到R1響應(yīng)后，我們可以從SDIO_RESPCMD寄存器和SDIO_RESP1寄存器分別讀出命令索引和卡狀態(tài)信息。關(guān)于其他響應(yīng)的介紹，請(qǐng)大家參考SD卡2.0協(xié)議。 最后，我們看看數(shù)據(jù)在SDIO控制器與SD卡之間的傳輸。對(duì)于SDI/SDIO存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)塊的形式傳輸?shù)模鴮?duì)于MMC卡，數(shù)據(jù)是以數(shù)據(jù)塊或者數(shù)據(jù)流的形式傳輸。本節(jié)我們只考慮數(shù)據(jù)塊形式的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 SDIO（多個(gè)）塊讀取操作

從上圖，我們可以看出，從機(jī)在收到主機(jī)相關(guān)命令后，開始發(fā)送數(shù)據(jù)塊給主機(jī)，所有數(shù)據(jù)塊都帶有CRC校驗(yàn)值（CRC由SDIO硬件自動(dòng)處理），單個(gè)數(shù)據(jù)塊讀的時(shí)候，在收到1個(gè)數(shù)據(jù)塊以后即可以停止了，不需要發(fā)送停止命令（CMD12）。但是多塊數(shù)據(jù)讀的時(shí)候，SD卡將一直發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)，直到接到主機(jī)發(fā)送的STOP命令（CMD12）。

圖3?SDIO（多個(gè)）塊寫入操作

數(shù)據(jù)塊寫操作同數(shù)據(jù)塊讀操作基本類似，只是數(shù)據(jù)塊寫的時(shí)候，多了一個(gè)繁忙判斷，新的數(shù)據(jù)塊必須在SD卡非繁忙的時(shí)候發(fā)送。這里的繁忙信號(hào)由SD卡拉低SDIO_D0，以表示繁忙，SDIO硬件自動(dòng)控制，不需要我們軟件處理。

SD卡初始化流程

要實(shí)現(xiàn)SDIO驅(qū)動(dòng)SD卡，最重要的步驟就是SD卡的初始化，只要SD卡初始化完成，那么剩下的讀寫操作就簡單了，所以我們這里重點(diǎn)介紹SD卡的初始化。從SD卡2.0協(xié)議中，我們得到SD卡初始化流程圖如圖4所示：

圖4?SD卡初始化流程

從圖中，我們看到，不管什么卡（這里我們將卡分為4類：SD2.0高容量卡（SDHC，最大32G），SD2.0標(biāo)準(zhǔn)容量卡（SDSC，最大2G），SD1.x卡和MMC卡），首先我們要執(zhí)行的是卡上電（需要設(shè)置SDIO_POWER[1:0]=11），上電后發(fā)送CMD0，對(duì)卡進(jìn)行軟復(fù)位，之后發(fā)送CMD8命令，用于區(qū)分SD卡2.0，只有2.0及以后的卡才支持CMD8命令，MMC卡和V1.x的卡，是不支持該命令的。

在發(fā)送CMD8后，發(fā)送ACMD41（注意發(fā)送ACMD41之前要先發(fā)送CMD55），來進(jìn)一步確認(rèn)卡的操作電壓范圍，并通過HCS位來告訴SD卡，主機(jī)是不是支持高容量卡（SDHC）。 對(duì)于支持CMD8指令的卡，主機(jī)通過ACMD41的參數(shù)設(shè)置HCS位為1，來告訴SD卡主機(jī)支SDHC卡，如果設(shè)置為0，則表示主機(jī)不支持SDHC卡，SDHC卡如果接收到HCS為0，則永遠(yuǎn)不會(huì)反回卡就緒狀態(tài)。對(duì)于不支持CMD8的卡，HCS位設(shè)置為0即可。

SD卡在接收到ACMD41后，返回OCR寄存器內(nèi)容，如果是2.0的卡，主機(jī)可以通過判斷OCR的CCS位來判斷是SDHC還是SDSC；如果是1.x的卡，則忽略該位。OCR寄存器的最后一個(gè)位用于告訴主機(jī)SD卡是否上電完成，如果上電完成，該位將會(huì)被置 1。 對(duì)于MMC卡，則不支持ACMD41，不響應(yīng)CMD55，對(duì)MMC卡，我們只需要在發(fā)送CMD0后，再發(fā)送CMD1（作用同ACMD41），檢查MMC卡的OCR寄存器，實(shí)現(xiàn)MMC卡的初始化。

至此，我們便實(shí)現(xiàn)了對(duì)SD卡的類型區(qū)分,最后發(fā)送CMD2和CMD3命令，用于獲得卡CID寄存器數(shù)據(jù)和卡相對(duì)地址（RCA）。 SD卡在收到CMD2后，將返回R2長響應(yīng)（136位），其中包含128位有效數(shù)據(jù)（CID寄存器內(nèi)容），存放在SDIO_RESP1~4等4個(gè)寄存器里面。通過讀取這四個(gè)寄存器，就可以獲得SD卡的CID信息。

CMD3用于設(shè)置卡相對(duì)地址（RCA，必須為非0），對(duì)于SD卡（非MMC卡），在收到CMD3后，將返回一個(gè)新的RCA給主機(jī)，方便主機(jī)尋址。RCA的存在允許一個(gè)SDIO接口掛多個(gè)SD卡，通過RCA來區(qū)分主機(jī)要操作的是哪個(gè)卡。而對(duì)于MMC卡，則不是由SD卡自動(dòng)返回RCA，而是主機(jī)主動(dòng)設(shè)置MMC卡的RCA，即通過CMD3帶參數(shù)（高16位用于RCA設(shè)置），實(shí)現(xiàn)RCA設(shè)置。同樣MMC卡也支持一個(gè)SDIO接口掛多個(gè)MMC卡，不同于SD卡的是所有的RCA都是由主機(jī)主動(dòng)設(shè)置的，而SD卡的RCA則是SD卡發(fā)給主機(jī)的。

在獲得卡RCA之后，我們便可以發(fā)送CMD9（帶RCA參數(shù)），獲得SD卡的CSD寄存器內(nèi)容，從CSD寄存器，我們可以得到SD卡的容量和扇區(qū)大小等十分重要的信息。CSD寄存器我們?cè)谶@里就不詳細(xì)介紹了，關(guān)于CSD寄存器的詳細(xì)介紹，請(qǐng)大家參考SD卡2.0協(xié)議。 至此，我們的SD卡初始化基本就結(jié)束了，最后通過CMD7命令，選中我們要操作的SD卡，即可開始對(duì)SD卡的讀寫操作了。

編輯：黃飛

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