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[其他ST产品] STM32利用SPI读写SD卡的程序详解

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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
SD卡, ST, STM, STM32, pi
  关于SD卡的基础知识这里不做过多陈述，如果有对这方面感兴趣的朋友可以直接百度一下，有很多讲SD卡的文章，这里主要是针对SD卡的读写程序实现做一些详细说明。

        SD卡的读写驱动程序是运用FATFS的基础，学了FATFS就可以在SD卡上创建文件夹及文件了。



我们先从main文件了解一下程序的执行流程
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  1. int main(void)
    

  2. {        
    

  3.   u16 i; 
    

  4.   USART1_Config();
    

  5.   for(i=0;i<1536;i++)
    

  6.      send_data[i]='D';
    

  7.   switch(SD_Init())
    

  8.   {
    

  9.   case 0: 
    

  10.           USART1_Puts("\r\nSD Card Init Success!\r\n");
    

  11.         break;
    

  12.   case 1:  
    

  13.         USART1_Puts("Time Out!\n");
    

  14.         break;
    

  15.   case 99: 
    

  16.         USART1_Puts("No Card!\n");
    

  17.         break;
    

  18.   default: USART1_Puts("unknown err\n");
    

  19.   break;
    

  20.   }
    

  21.   SD_WriteSingleBlock(30,send_data);
    

  22.   SD_ReadSingleBlock(30,receive_data);
    

  23.   if(Buffercmp(send_data,receive_data,512))
    

  24.   {
    

  25.            USART1_Puts("\r\n single read and write success \r\n");
    

  26.          //USART1_Puts(receive_data);
    

  27.   }
    

  28.   SD_WriteMultiBlock(50,send_data,3);
    

  29.   SD_ReadMultiBlock(50,receive_data,3);
    

  30.   if(Buffercmp(send_data,receive_data,1536))
    

  31.   {
    

  32.         USART1_Puts("\r\n        multi read and write success \r\n");
    

  33.         //USART1_Puts(receive_data);
    

  34.   }
    

  35.   while(1);
    

  36. }



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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:05 | 显示全部楼层
这里程序流程比较简单：

1）配置串口，用作程序的调试输出

2）填充将要给SD卡写入数据的数组send_data。

3）初始化SD卡，根据返回SD_Init()返回值确定SD卡初始化是否完成。

4）单块读写实验，并比对读写出的数据是否相同。

5）多块读写实验，并比对读写出的数据是否相同。
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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:08 | 显示全部楼层
SD初始化函数SD_Init()
        为使程序更简洁，故只对SD卡进行检测，放弃对MMC卡的支持（此种卡市面上已几乎不再使用，本人手上也没有这种卡，所以写出驱动程序，也没有硬件进行检测是否可用）。

        下面程序是部分对SD2.0卡检测的代码，完整代码中还有对1.0版本SD卡的初始化，可下载完整代码查看。下面我们开始对main函数中涉及到的用户函数的层层调用详细说明
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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:08 | 显示全部楼层
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  1. u8 SD_Init(void)
    

  2. {
    

  3.   u16 i;
    

  4.   u8 r1;
    

  5.   u16 retry;
    

  6.   u8 buff[6];
    

  7.   SPI_ControlLine();                
    

  8.   //SD卡初始化时时钟不能超过400KHz
    

  9.   SPI_SetSpeed(SPI_SPEED_LOW);
    

  10.   //CS为低电平，片选置低，选中SD卡                
    

  11.   SD_CS_ENABLE();        
    

  12.   //纯延时，等待SD卡上电稳定
    

  13.   for(i=0;i<0xf00;i++);
    

  14.   //先产生至少74个脉冲，让SD卡初始化完成
    

  15.   for(i=0;i<10;i++)                
    

  16.   {
    

  17.    //参数可随便写，经过10次循环，产生80个脉冲
    

  18.    SPI_ReadWriteByte(0xff);         
    

  19.   }
    

  20. //-----------------SD卡复位到idle状态----------------
    

  21. //循环发送CMD0，直到SD卡返回0x01,进入idle状态
    

  22. //超时则直接退出
    

  23.  retry=0;
    

  24.  do
    

  25.   {
    

  26.   //发送CMD0，CRC为0x95
    

  27.   r1=SD_SendCommand(CMD0,0,0x95);                
    

  28.   retry++;
    

  29.   }
    

  30.   while((r1!=0x01)&&(retry<200));
    

  31.   //跳出循环后，检查跳出原因，
    

  32.   if(retry==200)        //说明已超时        
    

  33.   {
    

  34.     return 1;
    

  35.   }
    

  36.   //如果未超时，说明SD卡复位到idle结束
    

  37.   //发送CMD8命令，获取SD卡的版本信息
    

  38.   r1=SD_SendCommand(CMD8,0x1aa,0x87);
    

  39.   //下面是SD2.0卡的初始化                
    

  40.   if(r1==0x01)        
    

  41.  {
    

  42.     // V2.0的卡，CMD8命令后会传回4字节的数据，要跳过再结束本命令
    

  43.     buff[0] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);          
    

  44.     buff[1] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);          
    

  45.     buff[2] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);          
    

  46.     buff[3] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);                      
    

  47.     SD_CS_DISABLE();
    

  48.     //多发8个时钟          
    

  49.     SPI_ReadWriteByte(0xFF);                         
    

  50.     retry = 0;
    

  51.     //发卡初始化指令CMD55+ACMD41
    

  52.     do
    

  53.     {
    

  54.       r1 = SD_SendCommand(CMD55, 0, 0);                
    

  55.       //应返回0x01
    

  56.       if(r1!=0x01)                
    

  57.       return r1;           
    

  58.       r1 = SD_SendCommand(ACMD41, 0x40000000, 1);        
    

  59.       retry++;
    

  60.       if(retry>200)        
    

  61.       return r1; 
    

  62.     }
    

  63.     while(r1!=0);
    

  64.     //初始化指令发送完成，接下来获取OCR信息           
    

  65.     //----------鉴别SD2.0卡版本开始-----------
    

  66.     //读OCR指令
    

  67.     r1 = SD_SendCommand_NoDeassert(CMD58, 0, 0);                
    

  68.     //如果命令没有返回正确应答，直接退出，返回应答
    

  69.     if(r1!=0x00)  
    

  70.     return r1;                   
    

  71.     //应答正确后，会回传4字节OCR信息
    

  72.     buff[0] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);
    

  73.     buff[1] = SPI_ReadWriteByte(0xFF); 
    

  74.     buff[2] = SPI_ReadWriteByte(0xFF); 
    

  75.     buff[3] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);
    

  76.     //OCR接收完成，片选置高
    

  77.     SD_CS_DISABLE();
    

  78.     SPI_ReadWriteByte(0xFF);
    

  79.     //检查接收到的OCR中的bit30位（CSS），确定其为SD2.0还是SDHC
    

  80.     //CCS=1：SDHC   CCS=0：SD2.0
    

  81.     if(buff[0]&0x40)
    

  82.     {
    

  83.       SD_Type = SD_TYPE_V2HC;
    

  84.     }            
    

  85.     else                
    

  86.     {
    

  87.       SD_Type = SD_TYPE_V2;
    

  88.     }            
    

  89.     //-----------鉴别SD2.0卡版本结束----------- 
    

  90.     SPI_SetSpeed(1);                 //设置SPI为高速模式
    

  91.  }
    

  92. }
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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:08 | 显示全部楼层
以上函数是根据SD卡的发送和响应时序进行编写的。

1）程序中配置好SPI模式和引脚后，需要先将SPI的速度设为低速，SD卡初始化时SCK时钟信号不能大于400KHz，初始化结束后再设为高速模式，这里对SPI的模式配置不在赘述，可参考SPI读写FLASH文章的相关内容。

2）将片选信号拉低，选中SD卡，上电后，需要等待至少74个时钟，使SD卡上电稳定。

3）向SD卡发送CMD0指令，SD卡如果返回0x01，说明SD卡已复位到idle状态。

4）向SD卡发送CMD8指令，SD卡如果返回0x01，说明SD卡是2.0或SDHC卡。
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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:09 | 显示全部楼层
SPI读写一字节数据
在这里，先介绍一个相对底层的函数。

SPI操作SD卡时，发送和接收是同步的，所以发送和接收数据使用同一个函数。

在发送数据时，并不关心函数的返回值；

在接收数据时，可以发送并无实际意义的字节（如0xFF）作为函数的参数。
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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:09 | 显示全部楼层
u8  SPI_ReadWriteByte(u8 TxData)
{
   while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE)==RESET);               
   SPI_I2S_SendData(SPI1,TxData);       
   while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE)==RESET);       
   return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
}
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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:09 | 显示全部楼层
这个函数在所有主机与SD卡通信的函数中都会被调用到。

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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:09 | 显示全部楼层
从SD卡中读回指定长度的数据
        在SD卡读写试验中，我们会遇到很多需要读取SD卡各个寄存器数据的情况。SD卡返回的数据长度并不都相同，所以需要一个函数来实现这个功能。函数中多次调用了读写一字节数据的函数SPI_ReadWriteByte。这个功能由函数 u8 SD_ReceiveData()来实现。
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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:09 | 显示全部楼层
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  1. u8 SD_ReceiveData(u8 *data, u16 len, u8 release)
    

  2. {
    

  3.    u16 retry;
    

  4.    u8 r1;
    

  5.    //启动一次传输
    

  6.    SD_CS_ENABLE();
    

  7.    retry = 0;                                                                                   
    

  8.    do
    

  9.    {
    

  10.       r1 = SPI_ReadWriteByte(0xFF);                
    

  11.       retry++;
    

  12.       if(retry>4000)  //4000次等待后没有应答，退出报错（可多试几次）
    

  13.    {
    

  14.    SD_CS_DISABLE();
    

  15.    return 1;
    

  16.    }
    

  17. }
    

  18.   //等待SD卡发回数据起始令牌0xFE
    

  19.   while(r1 != 0xFE);        
    

  20.   //跳出循环后，开始接收数据
    

  21.   while(len--)
    

  22.   {
    

  23.    *data = SPI_ReadWriteByte(0xFF);
    

  24.    data++;
    

  25.   }
    

  26.   //发送2个伪CRC
    

  27.   SPI_ReadWriteByte(0xFF);
    

  28.   SPI_ReadWriteByte(0xFF);
    

  29.   //按需释放总线
    

  30.   if(release == RELEASE)
    

  31.   {
    

  32.     SD_CS_DISABLE();
    

  33.     SPI_ReadWriteByte(0xFF);
    

  34.   }                                                                                                          
    

  35.   return 0;
    

  36. }
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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:10 | 显示全部楼层
此函数有3个输入参数:  u8 * data为保存读回数据的变量，len为需要保存的的数据个数，release 为当程序结束后是否释放总线的标志。

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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:10 | 显示全部楼层
给SD卡发送命令
在初始化函数中，我们需要做的最多的就是给SD卡发送各种命令以及接收各种响应，从而判断卡片的类型，操作条件等相关信息。一个命令包括6个段：

927476530ba42e0ca4.png
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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:12 | 显示全部楼层
给SD卡发送命令的程序有2个。区别为一个发送完命令后失能片选，一个为发送完命令不失能片选（后续还有数据传回）。

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  1. u8  SD_SendCommand(u8 cmd,u32 arg,u8 crc)
    

  2. {
    

  3.    unsigned char r1;
    

  4.    unsigned int Retry = 0;
    

  5.    SD_CS_DISABLE();
    

  6.    //发送8个时钟，提高兼容性
    

  7.    SPI_ReadWriteByte(0xff);        
    

  8.    //选中SD卡
    

  9.    SD_CS_ENABLE();                
    

  10.    /*按照SD卡的命令序列开始发送命令 */
    

  11.    //cmd参数的第二位为传输位，数值为1，所以或0x40  
    

  12.    SPI_ReadWriteByte(cmd | 0x40);    
    

  13.    //参数段第24-31位数据[31..24]
    

  14.    SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 24));
    

  15.    //参数段第16-23位数据[23..16]        
    

  16.    SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 16));
    

  17.    //参数段第8-15位数据[15..8]        
    

  18.    SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 8));        
    

  19.    //参数段第0-7位数据[7..0]
    

  20.    SPI_ReadWriteByte((u8)arg);    
    

  21.    SPI_ReadWriteByte(crc);
    

  22.    //等待响应或超时退出
    

  23.    while((r1 = SPI_ReadWriteByte(0xFF))==0xFF)
    

  24.    {
    

  25.      Retry++;
    

  26.      if(Retry > 800)        break;         //超时次数
    

  27.    }   
    

  28.    //关闭片选
    

  29.    SD_CS_DISABLE();                
    

  30.    //在总线上额外发送8个时钟，让SD卡完成剩下的工作
    

  31.    SPI_ReadWriteByte(0xFF);         
    

  32.    //返回状态值        
    

  33.    return r1;                
    

  34. }
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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:12 | 显示全部楼层
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  1. u8 SD_SendCommand_NoDeassert(u8 cmd, u32 arg,u8 crc)
    

  2. {
    

  3.    unsigned char r1;
    

  4.    unsigned int Retry = 0;
    

  5.    SD_CS_DISABLE();
    

  6.    //发送8个时钟，提高兼容性
    

  7.    SPI_ReadWriteByte(0xff);                
    

  8.    //选中SD卡
    

  9.    SD_CS_ENABLE();                
    

  10.    /* 按照SD卡的命令序列开始发送命令 */
    

  11.    SPI_ReadWriteByte(cmd | 0x40);                      
    

  12.    SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 24));
    

  13.    SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 16));
    

  14.    SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 8));
    

  15.    SPI_ReadWriteByte((u8)arg);    
    

  16.    SPI_ReadWriteByte(crc);
    

  17.    //等待响应或超时退出
    

  18.    while((r1 = SPI_ReadWriteByte(0xFF))==0xFF)
    

  19.    {
    

  20.       Retry++;
    

  21.       if(Retry > 800)break; 
    

  22.     }
    

  23.     return r1;
    

  24. }
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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:13 | 显示全部楼层
以上两个函数就是根据SD卡在SPI模式下发送指令的时序编写的
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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:14 | 显示全部楼层
取CID寄存器数据

u8 SD_GetCID(u8 *cid_data)
{
   u8 r1;
   //发CMD10命令，读取CID信息
   r1 = SD_SendCommand(CMD10, 0, 0xFF);
   if(r1 != 0x00)       
   return r1;          //响应错误，退出
   //接收16个字节的数据
   SD_ReceiveData(cid_data, 16, RELEASE);         
   return 0;
}

以上程序源码相对比较简单，发送了CMD10读取CID寄存器命令后，如果相应正确，即开始进入接收数据环节，这里SD_ReceiveData函数中第二个参数输入16,即表示回传128位的CID数据。
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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:14 | 显示全部楼层
获取SD卡容量信息
        SD卡容量的信息主要是通过查询CSD寄存器的一些相关数据，并根据数据手册进行计算得出的。该函数虽然较为复杂，但可先精读SPI操作SD卡的理论知识篇，看懂程序的算法为何是这样实现的，也就容易理解程序的编写原理了。

u32 SD_GetCapacity(void)
{
    u8 csd[16];
    u32 Capacity;
    u8 r1;
    u16 i;
    u16 temp;
    //取CSD信息，如果出错，返回0
    if(SD_GetCSD(csd)!=0)        
    return 0;            
    //如果是CSD寄存器是2.0版本，按下面方式计算
    if((csd[0]&0xC0)==0x40)
    {                                                                          
       Capacity=((u32)csd[8])<<8;
       Capacity+=(u32)csd[9]+1;         
       Capacity = (Capacity)*1024;        //得到扇区数
       Capacity*=512;        //得到字节数   
    }
    else                //CSD寄存器是1.0版本
   {                    
       i = csd[6]&0x03;
       i<<=8;
       i += csd[7];
       i<<=2;
       i += ((csd[8]&0xc0)>>6);
       r1 = csd[9]&0x03;
       r1<<=1;
       r1 += ((csd[10]&0x80)>>7);         
       r1+=2;
       temp = 1;
       while(r1)
       {
        temp*=2;
         r1--;
       }
   Capacity = ((u32)(i+1))*((u32)temp);         
   i = csd[5]&0x0f;
   temp = 1;
   while(i)
   {
      temp*=2;
      i--;
   }
   //最终结果
   Capacity *= (u32)temp;               
   //字节为单位  
  }
   return (u32)Capacity;
}
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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:18 | 显示全部楼层
此函数计算出来的容量是Kbyte，结果除以1024就是Mbyte，再除以1024就是GByte。2G的卡，结果可能是1.8G，8G的卡结果可能是7.6G，代表用户可用容量。
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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:18 | 显示全部楼层
读单块block和读多块block
SD卡读单块和多块的命令分别为CMD17和CMD18，他们的参数即要读的区域的开始地址。因为考虑到一般SD卡的读写要求地址对齐，所以一般我们都将地址转为块，并以扇区（块）（512Byte）为单位进行读写，比如读扇区0参数就为0，读扇区1参数就为1<<9(即地址512），读扇区2参数就为2<<9(即地址1024），依此类推。
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 楼主| gaonaiweng 发表于 2023-10-19 13:18 | 显示全部楼层
读单块：
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  1. u8 SD_ReadSingleBlock(u32 sector, u8 *buffer)
    

  2. {
    

  3.   u8 r1;
    

  4.   //高速模式
    

  5.   SPI_SetSpeed(SPI_SPEED_HIGH);
    

  6.   if(SD_Type!=SD_TYPE_V2HC)        //如果不是SDHC卡
    

  7.   {
    

  8.     sector = sector<<9;        //512*sector即物理扇区的边界对其地址
    

  9.   }
    

  10.    r1 = SD_SendCommand(CMD17, sector, 1);        //发送CMD17 读命令
    

  11.    if(r1 != 0x00)        return r1;                                                                              
    

  12.    r1 = SD_ReceiveData(buffer, 512, RELEASE);        //一个扇区为512字节
    

  13.    if(r1 != 0)
    

  14.      return r1;   //读数据出错
    

  15.    else 
    

  16.      return 0;                 //读取正确，返回0
    

  17. }
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