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12.5 SDIO初始化結(jié)構(gòu)體

了解STM32的SDIO接口的相關(guān)信息之后，接下來就開始配置SDIO接口。STM32 固件庫定義了一個SDIO初始化結(jié)構(gòu)體用于SDIO接口指定參數(shù)的初始化，具體如下：

1、SDIO_ClockDiv——時鐘分頻

該參數(shù)設(shè)置時鐘控制寄存器（SDIO_CLKCR）的時鐘分頻系數(shù)位（CLKDIV），它定義了輸入時鐘(SDIOCLK)與輸出時鐘(SDIO_CK)間的分頻系數(shù)，范圍0~0xFF。SDIO_CK頻率=  SDIOCLK/[CLKDIV + 2]。注意：只有使能旁路時鐘分頻器，時鐘分頻才會有效。

2、SDIO_ClockEdge——時鐘相位選擇

該參數(shù)設(shè)定時鐘控制寄存器（SDIO_CLKCR）NEGEDGE位，它的指定了輸出時鐘SDIO_CK在主時鐘SDIOCLK的上升沿還是下降沿生成，具體參數(shù)如表12-23所示。

3、SDIO_ClockBypass——旁路時鐘分頻器

該參數(shù)設(shè)定時鐘控制寄存器（SDIO_CLKCR）的BYPASS位，它指定是否啟用或禁用了SDIO時鐘分流器旁路，如果使能BYPASS位，SDIOCLK直接驅(qū)動SDIO_CK輸出信號，否則，依據(jù)CLKDIV數(shù)值對SDIOCLK分頻，然后輸出SDIO_CK信號。

4、SDIO_ClockPowerSave——省電配置

當總線為空閑時，設(shè)置時鐘控制寄存器（SDIO_CLKCR）的PWRSAV位可以關(guān)閉SDIO_CK時鐘輸出，降低功耗，具體設(shè)置參數(shù)如表12-24所示。

5、SDIO_BusWide——總線寬度

SDIO接口定義了3種總線寬度，1bit、4bit、8bit，默認為1bit模式，操作SD卡傳輸數(shù)據(jù)時需要配置為4bit模式。該參數(shù)主要設(shè)置時鐘控制寄存器（SDIO_CLKCR）的 WIDBUS 位位，具體設(shè)置參數(shù)如表12-25所示。

6、SDIO_HardwareFlowControl——硬件流設(shè)置

硬件流控制功能可以避免FIFO下溢(發(fā)送模式)和上溢(接收模式)錯誤。該功能主要通過停止SDIO_CK并凍結(jié)SDIO狀態(tài)機，在FIFO不能進行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時，使得總線上數(shù)據(jù)傳輸暫停。但是 AHB接口還在工作，仍然可以讀出或?qū)懭隖IFO。通常選擇不使用硬件流功能，具體設(shè)置參數(shù)如表12-26所示。

12.6 SD卡初始化流程

SD卡初始化也稱為SD卡識別，主要分為三部分：卡復(fù)位、操作電壓確認（卡上電）、卡識別，初始化流程如圖12-27所示。在卡識別模式下，主機會復(fù)位所有處于“卡識別模式”的卡，以確認工作電壓范圍，識別卡，并且要求他們發(fā)布相對卡地址(Relative Card Address)。這個操作僅通過卡的 CMD線完成的。卡識別模式下，所有數(shù)據(jù)通信都只通過數(shù)據(jù)線完成。注意：識別模式時鐘頻率最大不超過400Khz。

圖12-19初始化流程圖

12.6.1 卡復(fù)位

主機發(fā)送“軟復(fù)位命令”設(shè)置每張卡進入“Idle”狀態(tài)。只有“Inactive”無效狀態(tài)的卡不受該命令的影響。其中多媒體卡和SD卡的復(fù)位命令為CMD0（GO_IDLE_STATE），而SD I/O卡的復(fù)位命令為 CMD51（IO_RW_DIRECT）。

SD卡上電后或執(zhí)行CMD0后，所有卡的輸出端都處于高阻狀態(tài)，同時所有卡都被初始化至一個默認的相對卡地址(RCA=0x0001)和默認的驅(qū)動器寄存器設(shè)置(最低的速度，最大的電流驅(qū)動能力)。

12.6.2 操作電壓范圍確認（卡上電）

所有的卡都可以使用規(guī)定范圍內(nèi)的電壓與主機通信，可支持的最小和最大電壓VDD數(shù)值由卡上的操作條件寄存器(OCR)定義，SD 2.0協(xié)議卡支持2.7V~3.6V供電范圍，上電流程如圖12-20所示。

（1）在主機和卡交互之初，主機和卡都不清楚相互支持的電壓范圍，此時就需要雙方確認電壓范圍。主機給供電卡，電壓要在250ms之內(nèi)達到VDD最小值，并且開始提供最少74個時鐘信號給SD卡，并保持SDIO_CMD線為高。

（2）上電之后，卡會進入空閑狀態(tài)（idle ），如果主機使用SD模式，CMD0非必需；如果是SPI模式，第一條命令必須發(fā)送CMD0，并且CS保持低電平讓卡進入SPI模式。

（3）發(fā)送CMD8 命令；該命令是 V2.0 規(guī)范新添加的，為的是支持多電壓范圍，用于檢查卡是否支持某個電壓。主機在初始化V2.0卡之前，應(yīng)該發(fā)送CMD8并表明主機支持的電壓。

（4）發(fā)送ACMD41命令；該命令是一個同步命令，用于來識別和拒絕那些不匹配它期望電壓范圍的卡，循環(huán)發(fā)送，直到上電時序完成。不能支持指定電壓范圍的卡在收到ACMD41 后會進入“inactive”狀態(tài)。如果主機系統(tǒng)連接了多個卡，那么主機應(yīng)該檢查所有卡滿足的電壓。

圖12-20 上電流程

SD卡上電代碼如下：

12.6.3 卡識別

對于SD卡而言，卡識別過程以時鐘頻率Fod≤400Khz開始，所有SDIO_CMD輸出為推挽模式，識別過程如下：

1. 總線被激活

2. SDIO卡主機廣播發(fā)送SEND_APP_OP_COND(ACMD41)命令

3. 得到的響應(yīng)是所有卡的操作條件寄存器的內(nèi)容

4. 不兼容的卡會被置于非激活狀態(tài)

5. SDIO卡主機廣播發(fā)送ALL_SEND_CID(CMD2)至所有激活的卡

6. 所有激活的卡發(fā)送回他們唯一卡識別號(CID)并進入識別狀態(tài)。

7. SDIO卡主機發(fā)送SET_RELATIVE_ADDR(CMD3)命令和一個地址到一個激活的卡，這個新的地址被稱為相對卡地址(RCA)，它比CID短，用于對卡尋址。至此，這個卡轉(zhuǎn)入待機狀態(tài)。 SDIO卡主機可以再次發(fā)送該命令更改RCA，卡的RCA將是最后一次的賦值。

8. SDIO卡主機對所有激活的卡重復(fù)上述步驟5至7。

SD卡識別代碼如下：

12.6.4 SD卡初始化代碼

12.7  數(shù)據(jù)傳輸模式

當相對卡地址（RCA）第一次發(fā)布后，卡會處于“數(shù)據(jù)傳輸模式”，主機會在總線上所有的卡都被識別后進入這個模式。數(shù)據(jù)傳輸模式下可以讀寫SD卡的相關(guān)數(shù)據(jù)。

讀寫SD卡的操作都是在初始化后基于SD卡命令和響應(yīng)。當沒有數(shù)據(jù)傳輸時，DAT線被拉高。當有數(shù)據(jù)傳輸時，主機通過SELECT/DESELECT_CARD(CMD7)先選中卡，然后發(fā)送SET_BUS_WIDTH(ACMD6)命令選擇或取消寬總線(4位總線寬度)操作模式，ACMD6命令僅在傳輸狀態(tài)時有效，即只有選中卡后才能改變總線寬度，此時可以對SD卡進行讀寫操作。

數(shù)據(jù)傳輸時，發(fā)送方先拉低所有數(shù)據(jù)線，發(fā)送起始位；然后發(fā)送連續(xù)的數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)流包含了有效數(shù)據(jù)；最后拉高所有數(shù)據(jù)線發(fā)送結(jié)束位。數(shù)據(jù)傳輸是和時鐘信號同時進行的，數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行酝ㄟ^CRC校驗值驗證。

12.7.1 讀數(shù)據(jù)模式

已知數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菈K（Black）， 由CSD寄存器中的READ_BL_LEN位定義，通過CMD16可以設(shè)置數(shù)據(jù)塊的長度。但是對于SDXC和SDHC卡，數(shù)據(jù)塊長度始終為512字節(jié)，CMD16不會影響數(shù)據(jù)塊的長度。另外塊讀是以塊為單位的數(shù)據(jù)傳輸，通常SD卡上都不允許“讀部分塊”。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_，每個數(shù)據(jù)塊后都有一個CRC校驗碼。讀數(shù)據(jù)分為單塊讀和多塊讀，具體如下：

1、 單塊讀

  單塊讀，顧名思義就是讀取單個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)。單塊讀流程為：

（1）主機發(fā)送CMD7命令選中卡（總線只有一個SD卡時，可以省略）；

（2）發(fā)送CMD16命令設(shè)置數(shù)據(jù)塊的有效長度（默認為512Byte） ；

（3）通過SDIO_DataInitTypeDef結(jié)構(gòu)體和SDIO_DataConfig函數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)

參數(shù)；

（4）發(fā)送CMD17命令啟動單塊讀并等待SD卡返回響應(yīng)無錯誤；

（5）初始化SDIO中斷并啟動DMA傳輸，必須保證DMA數(shù)據(jù)緩沖區(qū)按照4字節(jié)對齊（緩沖區(qū)大小為4的整數(shù)倍）；

CMD17(READ_SINGLE_BLOCK)命令用于啟動一次讀數(shù)據(jù)塊操作，其命令參數(shù)中指出了被讀數(shù)據(jù)塊的地址，數(shù)據(jù)塊內(nèi)的任意地址都將指向該數(shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)從主機命令結(jié)束的Nac個周期后開始傳輸，數(shù)據(jù)的最后為CRC校驗。Nac為標準SD卡訪問時間，最小為2個SDIOCLK周期，最大讀超時固定為100ms，單塊讀時序如圖12-21 所示。

圖12-21單塊讀命令時序

具體代碼如下：

   2、多塊讀

多塊讀就是讀完一個數(shù)據(jù)塊，繼續(xù)讀下一個數(shù)據(jù)塊，直至發(fā)送停止命令，多塊讀流程：

（1）主機發(fā)送CMD7命令選中卡（總線只有一個SD卡時，可以省略）；

（2）發(fā)送CMD16命令設(shè)置數(shù)據(jù)塊的有效長度（一般默認為512Byte） ；

（3）通過SDIO_DataInitTypeDef結(jié)構(gòu)體和SDIO_DataConfig函數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)參數(shù)；

（4）主機發(fā)送CMD18命令啟動多個數(shù)據(jù)塊的讀操作，并等待SD卡返回響應(yīng)無錯誤

（5）初始化SDIO中斷并啟動DMA傳輸，必須保證DMA數(shù)據(jù)緩沖區(qū)按照4字節(jié)對齊；

（6）開始傳輸數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)傳輸完畢或者收到CMD12(STOP_TRANSMISSON)命令；

CMD18（READ_MULTIPLE_BLOCK）為讀取多個連續(xù)的數(shù)據(jù)塊命令，其參數(shù)包含被讀數(shù)據(jù)塊的地址（該地址同樣可以為數(shù)據(jù)塊內(nèi)任意地址），SDIO_DataInitTypeDef結(jié)構(gòu)體中定義了待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。一旦發(fā)送CMD18啟動傳輸，主機間隔Nac個周期讀取一次數(shù)據(jù)，直至讀完設(shè)定的數(shù)據(jù)量。一旦收到CMD12停止傳輸命令，數(shù)據(jù)傳輸會在收到停止命令后的兩個時鐘周期停止，多塊讀命令時序如圖12-22 所示。

圖 12-22 多塊讀命令時序

SD卡多塊讀代碼：

12.7.2 寫數(shù)據(jù)模式

寫數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸格式和讀數(shù)據(jù)類似，寫數(shù)據(jù)前SD卡會自動擦除待寫的數(shù)據(jù)塊，并檢測每一個數(shù)據(jù)塊的CRC值，只有數(shù)據(jù)準確無誤時才會寫入到數(shù)據(jù)塊中。如果發(fā)生BLOCK_LEN_ERROR和ADDRESS_ERROR的錯誤，寫命令將不被執(zhí)行，寫數(shù)據(jù)分為單塊寫和多塊寫。

1、單塊寫

單塊寫其實就是擦除一個數(shù)據(jù)塊（不需要手動擦除），寫入一個數(shù)據(jù)塊。通過執(zhí)行寫數(shù)據(jù)塊命令（CMD24~27）,主機將一個或多個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)傳送到卡，每個數(shù)據(jù)塊之后都有CRC，單塊寫數(shù)據(jù)流程如下：

（1）主機發(fā)送 CMD7 命令選擇一個卡進行寫操作（總線只有一個卡時可以忽略）；

（2）主機通過 CMD16命令設(shè)置需要進行塊傳輸?shù)挠行K長度（默認為512Byte）；

（3）通過SDIO_DataInitTypeDef結(jié)構(gòu)體和SDIO_DataConfig函數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)參數(shù)；

（4）發(fā)送 CMD24 作為開始，標明起始地址，等待卡響應(yīng)無錯誤 ；

（5）初始化SDIO中斷并啟動DMA傳輸；

CMD24（WRITE_BLOCK）為寫數(shù)據(jù)塊命令，其參數(shù)為待寫入數(shù)據(jù)塊地址。主機的數(shù)據(jù)傳輸在收到響應(yīng)后的 Nwr 時鐘周期后開始，數(shù)據(jù)后跟著CRC校驗位，允許卡來檢查是否有傳輸錯誤。卡通過DAT0傳回CRC檢測結(jié)果。如果有錯誤，那么發(fā)送否定CRC狀態(tài)‘101’。如果沒有錯誤，發(fā)送正確 CRC 狀態(tài)‘010’，以及數(shù)據(jù)編程處理狀態(tài)。當發(fā)生編程錯誤的時候，卡會忽略所有后續(xù)塊。這種情況下，不會有 CRC 響應(yīng)發(fā)給主機，因此，總線上也不會有 CRC 起始位，但是可以讀到 3bit 的 CRC 狀態(tài)‘111’，單塊寫命令時序如圖12-23 所示。

圖12-23 單塊寫命令時序

SD卡單塊寫代碼：

2、多塊寫

多塊寫模式，卡會在主機發(fā)送寫命令之后收到連續(xù)的數(shù)據(jù)塊。并且多塊寫通過預(yù)擦除指令（ACMD23）一次性將要寫入的所有數(shù)據(jù)塊全部擦除。同單塊寫類似，數(shù)據(jù)后跟著 CRC 校驗位，允許卡檢查數(shù)據(jù)正確性。多塊寫數(shù)據(jù)流程：

（1）主機發(fā)送 CMD7 命令選擇一個卡進行寫操作（總線只有一個卡時可以忽略）；

（2）主機通過 CMD16命令設(shè)置需要進行塊傳輸?shù)挠行K長度（一般默認為512Byte）；

（3）通過SDIO_DataInitTypeDef結(jié)構(gòu)體和SDIO_DataConfig函數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸?shù)南嚓P(guān)參數(shù)；

（4）發(fā)送ACMD55告訴卡下一條命令為特定應(yīng)用命令，而非標準命令；

（5）發(fā)送ACMD23設(shè)置需要擦除的塊的數(shù)目，一次性擦除，提高效率  

（6）發(fā)送CMD25，啟動連續(xù)寫數(shù)據(jù)塊模式

（7）初始化SDIO中斷并啟動DMA傳輸；

主機如果想使用“預(yù)擦除”功能，應(yīng)該僅僅在WTITE 命令之前發(fā)送 ACMD23。如若不然的話，“預(yù)擦除數(shù)目”可能會在其他命令執(zhí)行的時候被自動清除。如果發(fā)送CMD12命令，數(shù)據(jù)傳輸將被停止，多塊寫命令時序如圖12-24 所示。

圖12-24 多塊寫命令時序

同理，將SD卡單塊寫和多塊寫整合為SDWrite函數(shù)，使用時直接調(diào)用即可，需要注意每次寫入的數(shù)據(jù)需要占用一個單獨的塊，即使未寫滿，再次寫入時需要從下個數(shù)據(jù)塊開始。

12.7.3 擦除模式

擦除的基本單位是擦除組，擦除組包含若干個數(shù)據(jù)塊（大于等于1），由擦除命令的地址域設(shè)定，卡會舍棄未與擦除組大小對齊的部分，把地址邊界對齊到擦除組的邊界，換句話說，擦除命令會擦除設(shè)定地址區(qū)域所涉及的所有數(shù)據(jù)塊，而非部分數(shù)據(jù)塊。已知W25Q128擦除后擦除后數(shù)據(jù)默認全為1，而對于SD卡而言，擦除后的數(shù)據(jù)是‘0’還是‘1’由SD卡的SCR寄存器的DATA_STAT_AFTER_ERASE(bit55)定義。

擦除流程如下：

（1）主機發(fā)送CMD32(ERASE_WR_BLK_START)和CMD33(ERASE_WR_BLK_END)命令定義連續(xù)范圍的開始和結(jié)束地址；

（2）發(fā)送CMD38(ERASE)開始擦除。如果順序不對，卡會設(shè)置 ERASE_SEQ_ERROR位到狀態(tài)寄存器，并且重啟整個序列。

注意：SD I/O卡使用ERASE_GROUP_START(CMD35)和ERASE_GROUP_END(CMD36) 命令定義連續(xù)范圍的開始和結(jié)束地址。

如果收到了除CMD13（SEND_STATUS）和擦除命令之外的其它命令，卡在狀態(tài)寄存器中設(shè)置ERASE_RESET位，解除擦除序列并執(zhí)行新的命令。如果擦除范圍包含了寫保護數(shù)據(jù)塊，這些塊將不被擦除，只有未保護的塊被擦除，同時卡在狀態(tài)寄存器中設(shè)置WP_ERASE_SKIP狀態(tài)位，在擦除過程中，卡拉低SDIO_D信號。

SD卡擦除代碼如下：

12.8 串口讀寫SD卡實驗

實際開發(fā)中，SD卡多與文件系統(tǒng)搭配使用，為了測試SD卡的相關(guān)功能，將第6章的串口讀寫Flash例程略作修改，改寫為串口讀寫SD卡。

讀指令格式：sd-read  + Block編號 + 待讀取字節(jié)數(shù)

寫指令格式：sd-write + Block編號 + 待寫入數(shù)據(jù)

擦除指令格式：sd-erase + 起始Block編號 + 終止Block編號，如果擦除單個數(shù)據(jù)塊，起始和終止Block塊編號相同。

具體代碼如下：