STM32CubeMX学习笔记19——SD卡（SDIO接口）

1、简介

1.1 SD卡简介

很多单片机系统都需要大容量存储设备，以存储数据（常用的有U盘、FLASH芯片、SD卡等），比较而言SD卡是单片机大容量外部存储的首选，只需要少数几个IO口即可外扩一个容量从几十M到几十G的，且有多种体积尺寸可选（标准SD卡、TF卡等）的外部存储器

SD卡（Secure Digital Memory Card）即：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。 SD卡按容量分类，可以分为3类：SD卡、SDHC卡、SDXC卡，如下表所示：

SD卡和SDHC卡协议基本兼容，但是SDXC卡的区别比较大，这里仅介绍SD/SDHC卡（简称SD卡），SD卡由9个引脚与外部通讯，支持SPI和SDIO两种操作模式，不同模式下SD卡引脚功能描叙如下图表示：

1.2 SD卡的物理结构及内部框图

SD卡的物理结构一般包括以下5个部分：

- 存储单元：是存储数据部件；
- 存储单元接口：存储单元通过存储单元接口与卡控制单元进行数据传输；
- 电源检测单元：保证SD卡工作在合适的电压下，如出现掉电或上状态时，它会使控制单元和存储单元接口复位；
- 卡及接口控制单元：控制SD卡的运行状态，它包括有8个寄存器；
- 接口驱动器：控制SD卡引脚的输入输出

SDIO由SDIO适配器和APB2接口两部分组成：

- SDIO适配器：提供特定于MMC/SD/SD I/O卡的所有功能，如时钟生成单元、命令和数据传输
- APB2接口：访问SDIO适配器寄存器，并且生成中断和DMA请求信号

下图是SDIO功能框图及SDIO适配器框图：

1.3 SD卡命令

SD卡命令由主机发出，命令格式固定为48位，通过CMD线连续传输，数据线不参与。SD命令结构如下图示：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）；字节2 ~ 5为命令参数（有的命令没有参数）；字节6的高7位为CRC、最低位恒定为1

SD命令组成的详细说明如下：
- 起始位和终止位：命令的主体包含在起始位与终止位之间，它们都只包含一个数据位，起始位为 0，终止位为 1。
- 传输标志：用于区分传输方向，该位为 1 时表示命令，方向为主机传输到 SD 卡，该位为 0时表示响应，方向为 SD卡传输到主机。 - 命令主体内容包括命令、地址信息/参数和 CRC 校验三个部分
- 命令号：它固定占用 6bit，所以总共有 64个命令(代号：CMD0~CMD63)，每个命令都有特定的用途，部分命令不适用于 SD 卡操作，只是专门用于 MMC卡或者SD I/O卡。
- 地址/参数：每个命令有 32bit地址信息/参数用于命令附加内容，例如，广播命令没有地址信息，这 32bit用于指定参数，而寻址命令这 32bit用于指定目标 SD卡的地址。
- CRC7 校验：长度为 7bit的校验位用于验证命令传输内容正确性，如果发生外部干扰导致传输数据个别位状态改变将导致校准失败，也意味着命令传输失败，SD卡不执行命令。

1.4 SD卡响应

SD卡命令的响应由SD卡向主机发出，部分命令要求SD卡作出响应，这些响应多用于反馈SD卡的状态。基本特性如下：

- SDIO总共有7个响应类型(代号：R1~R7)，其中SD卡没有R4、R5类型响应。特定的命令对应有特定的响应类型，比如当主机发送CMD3命令时，可以得到响应R6。
- 与命令一样，SD卡的响应也是通过CMD线连续传输的。
- 根据响应内容大小可以分为短响应和长响应。短响应是48bit长度，只有R2类型是长响应，其长度为136bit。

SD的读写操作是以块为操作对象。先发送命令开始传输，然后传输数据块，传输完数据块紧接着传输CRC检验值。最好发送停止命令停止数据传输

1.5 SD卡的操作模式及切换

SD卡有多个版本，STM32控制器目前最高支持《Physical Layer Simplified Specification V2.0》定义的SD卡，STM32控制器对SD卡进行数据读写之前需要识别卡的种类：V1.0标准卡、V2.0标准卡、V2.0高容量卡或者不被识别卡。

SD卡系统定义了两种操作模式：卡识别模式和数据传输模式

在系统复位后，主机处于卡识别模式，寻找总线上可用的SDIO设备；同时，SD卡也处于卡识别模式，直到被主机识别到，即当SD卡接收到SEND_RCA(CMD3)命令后，SD卡就会进入数据传输模式，而主机在总线上所有卡被识别后也进入数据传输模式。

2. 硬件设计

LED2指示灯用来提示系统运行状态，S1写入数据，S2读取数据，串口用来打印SD卡的容量、类型等信息

LED2指示灯
USART1
S1，S2按键
TF卡

3、 STM32CubeMX设置

RCC设置外接HSE，时钟设置为72M

PE5设置为GPIO推挽输出模式、上拉、高速、默认输出电平为高电平
PE3/PE4设置为GPIO输入模式、上拉模式
USART1选择为异步通讯方式，波特率设置为115200Bits/s，传输数据长度为8Bit，无奇偶校验，1位停止位
激活SDIO，选择4线SD模式，分频因子设为4，使能流控，其余默认设置

在 Parameter Settings 进行具体参数配置。

Clock transition on which the bit capture is made： Rising transition。主时钟 SDIOCLK 产生 CLK 引脚时钟有效沿选择，可选上升沿或下降沿，它设定 SDIO 时钟控制寄存器(SDIO_CLKCR)的 NEGEDGE 位的值，一般选择设置为上升沿。

SDIO Clock divider bypass： Disable。时钟分频旁路使用，可选使能或禁用，它设定 SDIO_CLKCR 寄存器的 BYPASS 位。如果使能旁路，SDIOCLK 直接驱动 CLK 线输出时钟；如果禁用，使用 SDIO_CLKCR 寄存器的 CLKDIV 位值分频 SDIOCLK，然后输出到 CLK 线。一般选择禁用时钟分频旁路。

SDIO Clock output enable when the bus is idle： Disable the power save for the clock。节能模式选择，可选使能或禁用，它设定 SDIO_CLKCR 寄存器的 PWRSAV 位的值。如果使能节能模式，CLK 线只有在总线激活时才有时钟输出；如果禁用节能模式，始终使能 CLK 线输出时钟。

SDIO hardware flow control： The hardware control flow is enabled。硬件流控制选择，可选使能或禁用，它设定 SDIO_CLKCR 寄存器的 HWFC_EN 位的值。硬件流控制功能可以避免 FIFO 发送上溢和下溢错误。

SDIOCLK clock divide factor：4。时钟分频系数，它设定 SDIO_CLKCR 寄存器的 CLKDIV 位的值，设置 SDIOCLK 与 CLK 线输出时钟分频系数：CLK 线时钟频率=SDIOCLK/([CLKDIV+2])。

SDIO_CK 引脚的时钟信号在卡识别模式时要求不超过 400KHz，而在识别后的数据传输模式时则希望有更高的速度（最大不超过 25MHz），所以会针对这两种模式配置 SDIOCLK 的时钟。

这里参数描述建议将SDIOCLK clock divede factor 参数使用默认值为0，SDIOCLK为72MHz，可以得到最大频率36MHz，但请注意，有些型号的SD卡可能不支持36MHz这么高的频率，所以还是要以实际情况而定。

添加 SDIO 对应 DMA2 的通道4。DMA模式选择循环模式，方向选为内存到外设，优先级设置为low

SDIO 外设支持生成 DMA 请求，使用 DMA 传输可以提高数据传输效率，因此在 SDIO 的控制代码中，可以把它设置为 DMA 传输模式或轮询模式，ST 标准库提供 SDIO 示例中针对这两个模式做了区分处理。应用中一般都使用DMA 传输模式。

Priority：当发生多个 DMA 通道请求时，就意味着有先后响应处理的顺序问题，这个就由仲裁器也管理。仲裁器管理 DMA 通道请求分为两个阶段。第一阶段属于软件阶段，可以在 DMA_CCRx 寄存器中设置，有 4 个等级：非常高、高、中和低四个优先级。第二阶段属于硬件阶段，如果两个或以上的 DMA 通道请求设置的优先级一样，则他们优先级取决于通道编号，编号越低优先权越高，比如通道 0 高于通道 1。在大容量产品和互联型产品中，DMA1 控制器拥有高于 DMA2 控制器的优先级。 Mode： Normal 表示单次传输，传输一次后终止传输。 Circular 表示循环传输，传输完成后又重新开始继续传输，不断循环永不停止。 Increment Address： Peripheral 表示外设地址自增。 Memory 表示内存地址自增。 Data Width： Byte 一个字节。 Half Word 半个字，等于两字节。 Word 一个字，等于四字节。

设置SDIO和DMA的中断，原则是全局中断优先级高于DMA中断

最好激活CRC功能，以避免后续读写SD卡报CRC校验错误

输入工程名，选择工程路径（不要有中文），选择MDK-ARM V5；勾选Generated periphera initialization as a pair of ‘.c/.h’ files per IP ；点击GENERATE CODE，生成工程代码

4、程序编程

在sdio.c文件下可以看到sdio初始化函数，在stm32f1xx_hal_sd.c文件中可以查看SDIO的相关操作函数，主要用到的函数有；

//可读取SD卡的基础信息,如内存
HAL_SD_CardStateTypeDef HAL_SD_GetCardState(SD_HandleTypeDef *hsd)//获取SD卡的ID
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_GetCardCID(SD_HandleTypeDef *hsd, HAL_SD_CardCIDTypeDef *pCID)//擦除SD卡
/*** @brief  擦除给定SD卡的指定存储区域。* @param  hsd: 指向SD句柄的指针* @param  BlockStartAdd:起始块地址* @param  BlockEndAdd:结束块地址* @retval HAL status*/
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_Erase(SD_HandleTypeDef *hsd, uint32_t BlockStartAdd, uint32_t BlockEndAdd)//擦除SD卡内容块
//例：
HAL_SD_Erase(&hsd,0,1);//SD 卡写入数据
/*** @brief 将块写入卡中的指定地址* @param  hsd: 指向SD句柄的指针* @param  pData: 指向将包含要传输的数据的缓冲区的指针* @param  BlockAdd: 写入数据的块地址* @param  NumberOfBlocks: 要写入的SD块数* @param  Timeout: 指定超时值* @retval HAL status*/
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_WriteBlocks(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData, uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks, uint32_t Timeout)
//例：
HAL_SD_WriteBlocks(&hsd,Buffer_Tx,0,1,0xff);//SD 卡读取数据
/*** @brief  从卡中的指定地址读取块. * @param  hsd: 指向SD句柄的指针* @param  pData: 指向将包含接收到的数据的缓冲区的指针* @param  BlockAdd: 读取数据的块地址* @param  NumberOfBlocks: 要读取的SD块数* @param  Timeout: 指定超时值* @retval HAL status*/
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_ReadBlocks(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData, uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks, uint32_t Timeout);
//例：
HAL_SD_ReadBlocks(&hsd,Buffer_Rx,0,1,0xff);

在 main.c 头部添加全局变量

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
#define BLOCK_START_ADDR         0     /* Block start address      */
#define NUM_OF_BLOCKS            1   /* Total number of blocks   */
#define BUFFER_WORDS_SIZE        ((BLOCKSIZE * NUM_OF_BLOCKS) >> 2) /* Total data size in bytes */
/* USER CODE END PD *//* USER CODE BEGIN PV */
uint8_t Buffer_Tx[512],Buffer_Rx[512] = {0};
uint32_t i;
/* USER CODE END PV */

main函数中添加测试程序

int main(void)
{
//***省略**//printf("Micro SD Card Test...\r\n");
/* 检测SD卡是否正常（处于数据传输模式的传输状态） */
if(HAL_SD_GetCardState(&hsd) == HAL_SD_CARD_TRANSFER) //获取当前sd卡数据状态
{      printf("Initialize SD card successfully!\r\n");// 打印SD卡基本信息printf(" SD card information! \r\n");printf(" CardCapacity  : %llu \r\n", (unsigned long long)hsd.SdCard.BlockSize * hsd.SdCard.BlockNbr);// 显示容量printf(" CardBlockSize : %d \r\n", hsd.SdCard.BlockSize);   // 块大小printf(" LogBlockNbr   : %d \r\n", hsd.SdCard.LogBlockNbr);	// 逻辑块数量printf(" LogBlockSize  : %d \r\n", hsd.SdCard.LogBlockSize);// 逻辑块大小printf(" RCA           : %d \r\n", hsd.SdCard.RelCardAdd);  // 卡相对地址printf(" CardType      : %d \r\n", hsd.SdCard.CardType);    // 卡类型// 读取并打印SD卡的CID信息HAL_SD_CardCIDTypeDef sdcard_cid;HAL_SD_GetCardCID(&hsd,&sdcard_cid);//读取SD卡的信息CID寄存器。printf(" ManufacturerID: %d \r\n",sdcard_cid.ManufacturerID);
}
else
{printf("SD card init fail!\r\n" );
}/* 擦除SD卡块 */
printf("------------------- Block Erase -------------------------------\r\n");
if(HAL_SD_Erase(&hsd, BLOCK_START_ADDR, NUM_OF_BLOCKS) == HAL_OK)
{/* Wait until SD cards are ready to use for new operation */while(HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER){}printf("\r\nErase Block Success!\r\n");
}
else
{printf("\r\nErase Block Failed!\r\n");					
}/* 填充缓冲区数据 */
memset(Buffer_Tx, 0x15, sizeof(Buffer_Tx));/* 向SD卡块写入数据 */
printf("------------------- Write SD card block data Test ------------------\r\n");
if(HAL_SD_WriteBlocks(&hsd, Buffer_Tx, BLOCK_START_ADDR, NUM_OF_BLOCKS, 10) == HAL_OK)
{while(HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER){}printf("\r\nWrite Block Success!\r\n");for(i = 0; i < sizeof(Buffer_Tx); i++){printf("0x%02x:%02x ", i, Buffer_Tx[i]);}//printf("%s",Buffer_Tx);printf("\r\n");
}
else
{printf("\r\nWrite Block Failed!\r\n");
}/* 读取操作之后的数据 */
printf("------------------- Read SD card block data after Write ------------------\r\n");if(HAL_SD_ReadBlocks(&hsd, Buffer_Rx, BLOCK_START_ADDR, NUM_OF_BLOCKS, 10) == HAL_OK)
{while(HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER){}printf("\r\nRead Block Success!\r\n");for(i = 0; i < sizeof(Buffer_Rx); i++){printf("0x%02x:%02x ", i, Buffer_Rx[i]);}printf("\r\n");printf("中考%s",&Buffer_Rx[0]);printf("\r\n");
}
else
{printf("\r\nRead Block Failed!\r\n");				
}while (1){HAL_GPIO_TogglePin(LED3_GPIO_Port,LED3_Pin);HAL_Delay(500);/* USER CODE END WHILE *//* USER CODE BEGIN 3 */}}

注意：

要先插入SD卡，要不然SDIO初始化时会失败（仅针对原始的HAl生成程序）
如果读写失败，可能SD通信速度太高，可将hsd.Init.ClockDiv值改大
操作SD卡后最好先用函数HAL_SD_GetCardState()确定一下卡的状态再进行其他操作。
注意先擦除后写入。

5、下载验证

编译无误后下载到板子上，查看串口的打印信息：

6 、扩展DMA

DMA的读取和写入其实跟普通的方法相识，主要用到的是以下的读写函数

//DMA读取函数
/*** @brief  从卡中的指定地址读取块。数据传输由DMA模式管理。* @param  hsd:指针SD句柄* @param  pData: 指向将包含接收数据的缓冲区的指针* @param  BlockAdd:读取数据的块地址* @param  NumberOfBlocks: 要读取的块数。* @retval HAL status*/
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_ReadBlocks_DMA(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData, uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks);//DMA写入函数
/*** @brief 将块写入卡中的指定地址。数据传输由DMA模式管理。* @param  hsd: Pointer to SD handle* @param  pData: 指向将包含要传输的数据的缓冲区的指针* @param  BlockAdd:写入数据的块地址* @param  NumberOfBlocks: 要写入的块数* @retval HAL status*/
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_WriteBlocks_DMA(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData, uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks);

但是要注意的是STM32F103的SDIO DMA每次由读数据变为写数据或者由写数据变为读数据时，都需要重新初始化DMA（主要是为了更改数据传输的方向）。

编写读写函数

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
HAL_StatusTypeDef SDIO_ReadBlocks_DMA(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData, uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks)
{HAL_StatusTypeDef Return_Status;HAL_SD_CardStateTypeDef SD_Card_Status;do{SD_Card_Status = HAL_SD_GetCardState(hsd);}while(SD_Card_Status != HAL_SD_CARD_TRANSFER );/* SDIO DMA DeInit *//* SDIO DeInit */HAL_DMA_DeInit(&hdma_sdio);/* SDIO DMA Init *//* SDIO Init */hdma_sdio.Instance = DMA2_Channel4;hdma_sdio.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;hdma_sdio.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;hdma_sdio.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;hdma_sdio.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_WORD;hdma_sdio.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_WORD;hdma_sdio.Init.Mode = DMA_NORMAL;hdma_sdio.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;if (HAL_DMA_Init(&hdma_sdio) != HAL_OK){Error_Handler();}__HAL_LINKDMA( hsd,hdmarx,hdma_sdio);Return_Status = HAL_SD_ReadBlocks_DMA( hsd,pData, BlockAdd, NumberOfBlocks);return Return_Status;
}HAL_StatusTypeDef SDIO_WriteBlocks_DMA(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData, uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks)
{HAL_StatusTypeDef Return_Status;HAL_SD_CardStateTypeDef SD_Card_Status;do{SD_Card_Status = HAL_SD_GetCardState(hsd);}while(SD_Card_Status != HAL_SD_CARD_TRANSFER );/* SDIO DMA DeInit *//* SDIO DeInit */HAL_DMA_DeInit(&hdma_sdio);/* SDIO DMA Init *//* SDIO Init */hdma_sdio.Instance = DMA2_Channel4;hdma_sdio.Init.Direction = DMA_MEMORY_TO_PERIPH;hdma_sdio.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;hdma_sdio.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;hdma_sdio.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_WORD;hdma_sdio.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_WORD;hdma_sdio.Init.Mode = DMA_NORMAL;hdma_sdio.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;if (HAL_DMA_Init(&hdma_sdio) != HAL_OK){Error_Handler();}__HAL_LINKDMA(hsd,hdmatx,hdma_sdio);	Return_Status = HAL_SD_WriteBlocks_DMA(hsd,pData, BlockAdd, NumberOfBlocks);return Return_Status;
}
/* USER CODE END 0 */

main函数中直接调用读写函数即可

int main()
{
//****省略***///* 向SD卡块写入数据 */printf("------------------- Write SD card block data Test ------------------\r\n");SDIO_WriteBlocks_DMA(&hsd,Buffer_Tx, BLOCK_START_ADDR, NUM_OF_BLOCKS);printf("write status :%d\r\n",Return_Status);/* 读取SD卡块数据 */	Return_Status=SDIO_ReadBlocks_DMA(&hsd,Buffer_Rx, BLOCK_START_ADDR, NUM_OF_BLOCKS);printf("read status :%d\r\n",Return_Status);for(i = 0; i < sizeof(Buffer_Rx); i++){printf("0x%02x:%02x ", i, Buffer_Rx[i]);}while(1)
{
}}

编译无误后下载验证：