「正点原子STM32Mini板资料连载」第三十三章 SD 卡实验

本帖最后由 正点原子运营官 于 2020-4-13 12:11 编辑

1）实验平台：正点原子STM32mini开发板
2）摘自《正点原子STM32 不完全手册(HAL 库版)》关注官方微信号公众号，获取更多资料：正点原子


第三十三章 SD 卡实验
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 MiniSTM32 开发板自带了标准的 SD 卡接口（在背面），可使用 STM32 自带的
SPI 接口驱动，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 MiniSTM32开发板上实现 SD 卡的读取。本章分为如下几个部分：
33.1 SD 卡简介
33.2 硬件设计
33.3 软件设计
33.4 下载验证
33.1 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 33.1.1 所示：

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 33.1.1 所示：

SD 卡引脚功能描述如表 33.1.2 所示：

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 33.1.3 所示：




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 33.1.4 所示：

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 10000B 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 33.1.5 所示：

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 33.1.2 所示：
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，应答可以是 R1~R7，R1 的应答，各位描述如表 33.1.6 所示：

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资料→ 7，硬件资料→SD 卡资料→ SD 卡 V2.0 协议。
33.2 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 DS0
2） 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 MiniSTM32 开发板板载的SD 卡接口和 STM32 的连接关系，如图 33.2.1 所示：

从图中可以看出，SD卡通过4根信号线与STM32连接，SD卡的片选（SD_CS）连接PA3，SD卡的SPI接口，连接在STM32的SPI1上面，硬件连接就这么简单，这里要注意的是SPI1被3
个外设共用了：SD卡、W25Q64和NRF24L01，在使用SD卡的时候，必须禁止其他外设的片选，以防干扰。
33.3 软件设计
打开上一章的工程，由于本章还需要用到SPI功能，所以，先添加spi.c。然后，在HARDWARE文件夹下新建一个 SD 的文件夹。然后新建一个 MMC_SD.C 和 MMC_SD.H 的文件保存在 SD
文件夹下，并将这个文件夹加入头文件包含路径。
打开 MMC_SD.C 文件，在该文件里面，我们输入与 SD 卡相关的操作代码，这里由于篇幅限制，我们不贴出所有代码，仅介绍两个最重要的函数，第一个是 SD_Initialize 函数，该函
数源码如下：
//初始化 SD 卡
u8 SD_Init(void)
{
u8 r1;
// 存放 SD 卡的返回值
u16 retry;
// 用来进行超时计数
u8 buf[4];
u16 i;
SD_SPI_Init();
//初始化 IO
SD_SPI_SpeedLow(); //设置到低速模式
for(i=0;i<10;i++)SD_SPI_ReadWriteByte(0XFF);//发送最少 74 个脉冲
retry=20;
do
{
r1=SD_SendCmd(CMD0,0,0x95);//进入 IDLE 状态
}while((r1!=0X01) && retry--);
SD_Type=0;//默认无卡
if(r1==0X01)
{
if(SD_SendCmd(CMD8,0x1AA,0x87)==1)//SD V2.0
{
for(i=0;i<4;i++)buf=SD_SPI_ReadWriteByte(0XFF);
//Get trailing return value of R7 resp
if(buf[2]==0X01&&buf[3]==0XAA)//卡是否支持 2.7~3.6V
{
retry=0XFFFE;
do
{
SD_SendCmd(CMD55,0,0X01); //发送 CMD55
r1=SD_SendCmd(CMD41,0x40000000,0X01);//发送 CMD41
}while(r1&&retry--);
if(retry&&SD_SendCmd(CMD58,0,0X01)==0)//鉴别 SD2.0 卡版本开始
{
for(i=0;i<4;i++)buf=SD_SPI_ReadWriteByte(0XFF);//得到 OCR 值
if(buf[0]&0x40)SD_Type=SD_TYPE_V2HC; //检查 CCS
else SD_Type=SD_TYPE_V2;
}
}
}else//SD V1.x/ MMC V3
{
SD_SendCmd(CMD55,0,0X01);
//发送 CMD55
r1=SD_SendCmd(CMD41,0,0X01);
//发送 CMD41
if(r1<=1)
{
SD_Type=SD_TYPE_V1;
retry=0XFFFE;
do //等待退出 IDLE 模式
{
SD_SendCmd(CMD55,0,0X01); //发送 CMD55
r1=SD_SendCmd(CMD41,0,0X01);//发送 CMD41
}while(r1&&retry--);
}else//MMC 卡不支持 CMD55+CMD41 识别
{
SD_Type=SD_TYPE_MMC;//MMC V3
retry=0XFFFE;
do //等待退出 IDLE 模式
{
r1=SD_SendCmd(CMD1,0,0X01);//发送 CMD1
}while(r1&&retry--);
}
if(retry==0||SD_SendCmd(CMD16,512,0X01)!=0)SD_Type=SD_TYPE_ERR;
//错误的卡
}
}
SD_DisSelect();//取消片选
SD_SPI_SpeedHigh();//高速
if(SD_Type)return 0;
else if(r1)return r1;
return 0xaa;//其他错误
}
该函数先设置与 SD 相关的 IO 口及 SPI 初始化，然后发送 CMD0，进入 IDLE 状态，并设置SD 卡为 SPI 模式通信，然后判断 SD 卡类型，完成 SD 卡的初始化，注意该函数调用的 SD_SPI_Init等函数，实际是对 SPI1 的相关函数进行了一层封装，方便移植。另外一个要介绍的函数是SD_ReadDisk，该函数用于从 SD 卡读取一个扇区的数据（这里一般为 512 字节），该函数代码如下：
//读 SD 卡
//buf:数据缓存区
//sector:扇区
//cnt:扇区数
//返回值:0,ok;其他,失败.
u8 SD_ReadDisk(u8*buf,u32 sector,u8 cnt)
{
u8 r1;
if(SD_Type!=SD_TYPE_V2HC)sector <<= 9;//转换为字节地址
if(cnt==1)
{
r1=SD_SendCmd(CMD17,sector,0X01);//读命令
if(r1==0) r1=SD_RecvData(buf,512);//指令发送成功，接收 512 个字节
}else
{
r1=SD_SendCmd(CMD18,sector,0X01);//连续读命令
do
{
r1=SD_RecvData(buf,512); //接收 512 个字节
buf+=512;
}while(--cnt && r1==0);
SD_SendCmd(CMD12,0,0X01); //发送停止命令
}
SD_DisSelect();//取消片选
return r1;
}
此函数根据要读取扇区的多少，发送 CMD17/CMD18 命令，然后读取一个/多个扇区的数据，详细见代码，这里我们就不多介绍了。保存 MMC_SD.C 文件，并加入到 HARDWARE 组下，
然后打开 MMC_SD.H，在该文件里面输入如下代码：
#ifndef _MMC_SD_H_
#define _MMC_SD_H_
#include "sys.h"
#include
// SD 卡类型定义
#define SD_TYPE_ERR 0X00
#define SD_TYPE_MMC
0X01
#define SD_TYPE_V1 0X02
#define SD_TYPE_V2 0X04
#define SD_TYPE_V2HC 0X06
// SD 卡指令表
#define CMD0 0 //卡复位
#define CMD1 1
#define CMD8 8 //命令 8 ，SEND_IF_COND
#define CMD9 9 //命令 9 ，读 CSD 数据
#define CMD10 10 //命令 10，读 CID 数据
#define CMD12 12 //命令 12，停止数据传输
#define CMD16 16 //命令 16，设置 SectorSize 应返回 0x00
#define CMD17 17 //命令 17，读 sector
#define CMD18 18 //命令 18，读 Multi sector
#define CMD23 23 //命令 23，设置多 sector 写入前预先擦除 N 个 block
#define CMD24 24 //命令 24，写 sector
#define CMD25 25 //命令 25，写 Multi sector
#define CMD41 41 //命令 41，应返回 0x00
#define CMD55 55 //命令 55，应返回 0x01
#define CMD58 58 //命令 58，读 OCR 信息
#define CMD59 59 //命令 59，使能/禁止 CRC，应返回 0x00
//数据写入回应字意义
#define MSD_DATA_OK
0x05
#define MSD_DATA_CRC_ERROR 0x0B
#define MSD_DATA_WRITE_ERROR 0x0D
#define MSD_DATA_OTHER_ERROR 0xFF
//SD 卡回应标记字
#define MSD_RESPONSE_NO_ERROR 0x00
#define MSD_IN_IDLE_STATE
0x01
#define MSD_ERASE_RESET
0x02
#define MSD_ILLEGAL_COMMAND 0x04
#define MSD_COM_CRC_ERROR 0x08
#define MSD_ERASE_SEQUENCE_ERROR 0x10
#define MSD_ADDRESS_ERROR 0x20
#define MSD_PARAMETER_ERROR 0x40
#define MSD_RESPONSE_FAILURE 0xFF
//这部分应根据具体的连线来修改!
//MiniSTM32 开发板使用的是 PA3 作为 SD 卡的 CS 脚.
#define SD_CS PAout(3)
//SD 卡片选引脚
u8 SD_SPI_ReadWriteByte(u8 data);
void SD_SPI_SpeedLow(void);
void SD_SPI_SpeedHigh(void);
u8 SD_WaitReady(void);
//等待 SD 卡准备
u8 SD_GetResponse(u8 Response);
//获得相应
u8 SD_Initialize(void);
//初始化
u8 SD_ReadDisk(u8*buf,u32 sector,u8 cnt);
//读块
u8 SD_WriteDisk(u8*buf,u32 sector,u8 cnt);
//写块
u32 SD_GetSectorCount(void);
//读扇区数
u8 SD_GetCID(u8 *cid_data); //读 SD 卡 CID
u8 SD_GetCSD(u8 *csd_data); //读 SD 卡 CSD
#endif
该部分代码主要是一些命令的宏定义以及函数声明，在这里我们设定了 SD 卡的 CS 管脚为
PA3。保存 MMC_SD.H，就可以在主函数里面编写我们的应用代码了，打开 main.c，输入如下代
码：
//读取 SD 卡的指定扇区的内容，并通过串口 1 输出
//sec：扇区物理地址编号
void SD_Read_Sectorx(u32 sec)
{
u8 *buf;
u16 i;
buf=mymalloc(512);
//申请内存
if(SD_ReadDisk(buf,sec,1)==0) //读取 0 扇区的内容
{
LCD_ShowString(60,190,200,16,16,"USART1 Sending Data...");
printf("SECTOR 0 DATA:rn");
for(i=0;i<512;i++)printf("%x ",buf);//打印 sec 扇区数据
printf("rnDATA ENDEDrn");
LCD_ShowString(60,190,200,16,16,"USART1 Send Data Over!");
}
myfree(buf);//释放内存
}
int main(void)
{
u8 key; u8 t=0;
u32 sd_size;
HAL_Init();
//初始化 HAL 库
Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9); //设置时钟,72M
delay_init(72);
//初始化延时函数
uart_init(115200);
//初始化串口
LED_Init();
//初始化 LED
KEY_Init();
//初始化按键
LCD_Init();
//初始化 LCD
mem_init();
//初始化内存池
POINT_COLOR=RED;
//设置字体为红色
LCD_ShowString(60,50,200,16,16,"Mini STM32");
LCD_ShowString(60,70,200,16,16,"SD CARD TEST");
LCD_ShowString(60,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");
LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"2019/11/16");
LCD_ShowString(60,130,200,16,16,"KEY0:Read Sector 0");
while(SD_Initialize())//检测不到 SD 卡
{
LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"SD Card Error!"); delay_ms(500);
LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"Please Check! "); delay_ms(500);
LED0=!LED0;//DS0 闪烁
}
POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色
//检测 SD 卡成功
LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"SD Card OK ");
LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"SD Card Size: MB");
sd_size=SD_GetSectorCount();//得到扇区数
LCD_ShowNum(164,170,sd_size>>11,5,16);//显示 SD 卡容量
while(1)
{
key=KEY_Scan(0);
if(key==KEY0_PRES)SD_Read_Sectorx(0);//KEY0 按,读取 SD 卡扇区 0 的内容
delay_ms(10);t++;
if(t==20) { LED0=!LED0; t=0; }
}
}
这里总共 2 个函数，其中 SD_Read_Sectorx 用于读取 SD 卡指定扇区的数据，并将读到的数据通过串口 1 输出。然后 main 函数则通过 SD_GetSectorCount 函数来得到 SD 卡的扇区数，间接得到 SD 卡容量，然后在液晶上显示出来，接着我们通过按键 KEY0 控制读取 SD 卡的扇区 0，然后把读到的数据通过串口打印出来。另外，我们对上一章学过的内存管理小试牛刀，稍微用了下，以后我们会尽量使用内存管理来设计。最后，我们将 SD_Read_Sectorx 函数加入 USMART 控制，这样，我们就可以通过串口调试助手，读取 SD 卡任意一个扇区的数据，方便大家测试。
33.4 下载验证
在代码编译成功之后，我们通过下载代码到 ALIENTEK MiniSTM32 开发板上，可以看到LCD 显示如图 33.4.1 所示的内容（默认 SD 卡已经接上了）：

图 33.4.1 程序运行效果图

打开串口调试助手，按下 KEY0 就可以看到从开发板发回来的数据了，如图 33.4.2 所示：

图 33.4.2 串口收到的 SD 卡扇区 0 内容

这里请大家注意，不同的 SD 卡，读出来的扇区 0 是不尽相同的，所以不要因为你读出来的数据和图 33.4.2 不同而感到惊讶。