二十五、CH32V103应用教程——SD卡测试

只看该作者 · 2020-12-12 11:40

本帖最后由 RISCVLAR 于 2020-12-12 11:39 编辑

CH32V103应用教程——SD卡测试

本章教程将在CH32V103开发板上实现SD卡检测和SD卡容量信息读取。

1、SD卡简介及相关函数介绍

SD存储卡( Secure Digital Memory Card)是一种基于半导体快闪存储器的新一代高速存储设备。SD存储卡的技术是从MMC卡( MultiMedia Card格式上发展而来，在兼容SD存储卡基础上发展了SDIO( SD Input/ Output)卡，此兼容性包括机械，电子，电力，信号和软件，通常将SD、SDIO卡俗称SD存储卡。

SD卡具有高**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，它被广泛地应用于便携式装置上，例如数码相机、平板电脑和多媒体播放器等。根据SD卡容量大小不同，可将SD卡分为以下几类：

0~2G：SD卡；2~32G：SDHC卡；32~2T：SDXC卡；

其中，SD卡协议和SDHC卡版本协议基本兼容，但SDXC卡与SD卡和SDHC卡相差较大，本章主要介绍使用SD卡和SDHC卡。

控制器对SD卡进行读写通信操作一般有两种通信接口可选，一种是SPI接口，另外一种是SDIO接口。 SPI协议驱动SD卡方式相较于SDIO驱动SD卡方式，使用引脚资源少，控制程序相对较为简单，但传输速度不如使用SDIO接口的快。由于CH32V103开发板上SD卡槽与芯片引脚的连接方式为SPI驱动方式，因此本章教程采用SPI协议驱动SD卡方式。

使用SPI方式驱动SD卡需要用到以下几个寄存器：

①　CID：卡识别号（Card identification number），用来识别卡的唯一的个体号码；

②　CSD：卡的特定数据（Card Specific Data），指卡的操作条件信息；

③　SCR：SD配置寄存器（SD Configuration Register），SD卡特殊性信息；

④　OCR：操作条件寄存器（Operation conditions register）

关于SD卡其他寄存器信息，可参考SD 简易规格文件《 Physical Layer Simplified Specification V2.0》。

关于SD命令格式，固定为48bit，通过命令线（CMD）连续传输，其具体命令格式以及命令解释如下：

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。

1.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SPI总线，或不适用于SD卡操作，只是专门用于MMC卡或者SDI/O卡。

2.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，使用SPI总线驱动时，通过片选引脚来选择不同的卡，所以使用这些命令时地址可填充任意值。

3.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。使用SPI驱动时，命令中的CRC7校验默认是关闭的，即这CRC7校验位中可以写入任意值而不影响通讯，仅在发送CMD0命令时需要强制带标准的CRC7校验。

SPI模式下有以下几个重要的操作指令：

SD卡R1响应格式如下：

关于SD卡具体信息，可参考《 Physical Layer Simplified Specification V2.0》，关于SPI具体配置介绍，可参考CH32V103应用手册以及前面SPI教程介绍。

2、硬件设计

本章教程主要进**检测、初始化以及读取SD卡容量大小，需要用到CH32V103开发板TF CARD模块以及一张容量大小不超过32G的SD卡。

3、软件设计

本章教程由于使用SPI驱动方式，需要用到部分SPI程序，关于SPI内容在此不再过多介绍，SD卡具体程序如下：

sd.h文件

复制

#ifndef __SD_H_

#define __SD_H_



#include "ch32v10x_conf.h"



// 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_H  GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_3)     //SD卡片选引脚拉高

#define SD_CS_L  GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_3)   //SD卡片选引脚拉低



extern u8  SD_Type;         //SD卡的类型

//函数申明区

u8 SD_SPI_ReadWriteByte(u8 data);

u8 SD_Detect(void);                             //检测SD卡是否存在

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

sd.h文件主要包括各种宏定义及函数声明，包括SD卡类型定义、SD卡指令定义等以及函数声明；

sd.c文件

复制



#include "sd.h"

#include "spi.h"



u8  SD_Type=0;//SD卡的类型



//data:要写入的数据

//返回值:读到的数据

u8 SD_SPI_ReadWriteByte(u8 data)

{

    return SPI1_ReadWriteByte(data);

}





u8 SD_Detect(void)

{

  u8 status = 1;



  /* Check GPIO to detect SD */

  if (GPIO_ReadInputData(GPIOA) & GPIO_Pin_8)

  {

    status = 0;

  }

  return status;

}





//SPI硬件层初始化

void SD_SPI_Init(void)

{

    //设置硬件上与SD卡相关联的控制引脚输出

    //禁止其他外设(NRF/W25Q64)对SD卡产生影响

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd( RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE ); //PORTA时钟使能



    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_3;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP ;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_3); //PA3上拉



    SPI1_Init();

    SD_CS_H;

}





//取消选择,释放SPI总线

void SD_DisSelect(void)

{

    SD_CS_H;

    SD_SPI_ReadWriteByte(0xff);//提供额外的8个时钟

}





//选择sd卡,并且等待卡准备OK

//返回值:0,成功;1,失败;

u8 SD_Select(void)

{

    SD_CS_L;

    if(SD_WaitReady()==0)return 0;//等待成功

    SD_DisSelect();

    return 1;//等待失败

}





//等待卡准备好

//返回值:0,准备好了;其他,错误代码

u8 SD_WaitReady(void)

{

    u32 t=0;

    do

    {

        if(SD_SPI_ReadWriteByte(0XFF)==0XFF)return 0;//OK

        t++;

    }while(t<0XFFFFFF);//等待

    return 1;

}





//等待SD卡回应

//Response:要得到的回应值

//返回值:0,成功得到了该回应值

//    其他,得到回应值失败

u8 SD_GetResponse(u8 Response)

{

    u16 Count=0xFFFF;//等待次数

    while ((SD_SPI_ReadWriteByte(0XFF)!=Response)&&Count)Count--;//等待得到准确的回应

    if (Count==0)return MSD_RESPONSE_FAILURE;//得到回应失败

    else return MSD_RESPONSE_NO_ERROR;//正确回应

}





//从sd卡读取一个数据包的内容

//buf:数据缓存区

//len:要读取的数据长度.

//返回值:0,成功;其他,失败;

u8 SD_RecvData(u8*buf,u16 len)

{

    if(SD_GetResponse(0xFE))return 1;//等待SD卡发回数据起始令牌0xFE

    while(len--)//开始接收数据

    {

        *buf=SPI1_ReadWriteByte(0xFF);

        buf++;

    }

    //下面是2个伪CRC（dummy CRC）

    SD_SPI_ReadWriteByte(0xFF);

    SD_SPI_ReadWriteByte(0xFF);

    return 0;//读取成功

}





//向sd卡写入一个数据包的内容 512字节

//buf:数据缓存区

//cmd:指令

//返回值:0,成功;其他,失败;

u8 SD_SendBlock(u8*buf,u8 cmd)

{

    u16 t;

    if(SD_WaitReady())return 1;//等待准备失效

    SD_SPI_ReadWriteByte(cmd);

    if(cmd!=0XFD)//不是结束指令

    {

        for(t=0;t<512;t++)SPI1_ReadWriteByte(buf[t]);//提高速度,减少函数传参时间

        SD_SPI_ReadWriteByte(0xFF);//忽略crc

        SD_SPI_ReadWriteByte(0xFF);

        t=SD_SPI_ReadWriteByte(0xFF);//接收响应

        if((t&0x1F)!=0x05)return 2;//响应错误

    }

    return 0;//写入成功

}





//向SD卡发送一个命令

//输入: u8 cmd   命令

//      u32 arg  命令参数

//      u8 crc   crc校验值

//返回值:SD卡返回的响应

u8 SD_SendCmd(u8 cmd, u32 arg, u8 crc)

{

    u8 r1;

    u8 Retry=0;

    SD_DisSelect();//取消上次片选

    if(SD_Select())return 0XFF;//片选失效

    //发送

    SD_SPI_ReadWriteByte(cmd | 0x40);//分别写入命令

    SD_SPI_ReadWriteByte(arg >> 24);

    SD_SPI_ReadWriteByte(arg >> 16);

    SD_SPI_ReadWriteByte(arg >> 8);

    SD_SPI_ReadWriteByte(arg);

    SD_SPI_ReadWriteByte(crc);

    if(cmd==CMD12)SD_SPI_ReadWriteByte(0xff);//Skip a stuff byte when stop reading

    //等待响应，或超时退出

    Retry=0X1F;

    do

    {

        r1=SD_SPI_ReadWriteByte(0xFF);

    }while((r1&0X80) && Retry--);

    //返回状态值

    return r1;

}





//获取SD卡的CID信息，包括制造商信息

//输入: u8 *cid_data(存放CID的内存，至少16Byte）

//返回值:0：NO_ERR

//       1：错误

u8 SD_GetCID(u8 *cid_data)

{

    u8 r1;

    //发CMD10命令，读CID

    r1=SD_SendCmd(CMD10,0,0x01);

    if(r1==0x00)

    {

        r1=SD_RecvData(cid_data,16);//接收16个字节的数据

    }

    SD_DisSelect();//取消片选

    if(r1)return 1;

    else return 0;

}





//获取SD卡的CSD信息，包括容量和速度信息

//输入:u8 *cid_data(存放CID的内存，至少16Byte）

//返回值:0：NO_ERR

//       1：错误

u8 SD_GetCSD(u8 *csd_data)

{

    u8 r1;

    r1=SD_SendCmd(CMD9,0,0x01);//发CMD9命令，读CSD

    if(r1==0)

    {

        r1=SD_RecvData(csd_data, 16);//接收16个字节的数据

    }

    SD_DisSelect();//取消片选

    if(r1)return 1;

    else return 0;

}





//获取SD卡的总扇区数（扇区数）

//返回值:0： 取容量出错

//       其他:SD卡的容量(扇区数/512字节)

//每扇区的字节数必为512，因为如果不是512，则初始化不能通过.

u32 SD_GetSectorCount(void)

{

    u8 csd[16];

    uint64_t Capacity;

    u8 n;

    u16 csize;

    //取CSD信息，如果期间出错，返回0

    if(SD_GetCSD(csd)!=0) return 0;

    //如果为SDHC卡，按照下面方式计算

    if((csd[0]&0xC0)==0x40)  //V2.00的卡

    {

        csize = csd[9] + ((u16)csd[8] << 8) + 1;

        Capacity = (u32)csize << 10;//得到扇区数

    }else//V1.XX的卡

    {

        n = (csd[5] & 15) + ((csd[10] & 128) >> 7) + ((csd[9] & 3) << 1) + 2;

        csize = (csd[8] >> 6) + ((u16)csd[7] << 2) + ((u16)(csd[6] & 3) << 10) + 1;

        Capacity= (u32)csize << (n - 9);//得到扇区数

    }

    return Capacity;

}





//初始化SD卡

u8 SD_Initialize(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

    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[i]=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[i]=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

    if(SD_Type)return 0;

    else if(r1)return r1;

    return 0xaa;//其他错误

}





//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)//指令发送成功

        {

            r1=SD_RecvData(buf,512);//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;//

}





//写SD卡

//buf:数据缓存区

//sector:起始扇区

//cnt:扇区数

//返回值:0,ok;其他,失败.

u8 SD_WriteDisk(u8*buf,u32 sector,u8 cnt)

{

    u8 r1;

    if(SD_Type!=SD_TYPE_V2HC)sector *= 512;//转换为字节地址

    if(cnt==1)

    {

        r1=SD_SendCmd(CMD24,sector,0X01);//写命令

        if(r1==0)//指令发送成功

        {

            r1=SD_SendBlock(buf,0xFE);//写512个字节，0xFE表示开始写

        }

    }else

    {

        if(SD_Type!=SD_TYPE_MMC)

        {

            SD_SendCmd(CMD55,0,0X01);

            SD_SendCmd(CMD23,cnt,0X01);//发送指令

        }

        r1=SD_SendCmd(CMD25,sector,0X01);//连续写命令

        if(r1==0)

        {

            do

            {

                r1=SD_SendBlock(buf,0xFC);//0xFC表示多块数据写入开始

                buf+=512;

            }while(--cnt && r1==0);

            r1=SD_SendBlock(0,0xFD);//0xFD表示多块数据写入结束

        }

    }

    SD_DisSelect();//取消片选

    return r1;//

}

sd.c文件主要进行SD初始化等操作，关于SD卡初始化函数SD_Initialize，其具体操作流程如下：

（1）调用SD_SPI_Init函数初始化GPIO口及SPI工作模式，同时控制片选引脚使之输出高电平；

（2）利用for循环并调用SD_SPI_ReadWriteByte函数进行10读写操作，，同时产生80个时钟信号，满足SD卡初始化至少需要74个时钟的要求；

（3）调用SD_SendCmd函数发送CMD0命令，复位SD卡同时进入空闲状态；

（4）调用SD_SendCmd函数发送相关命令对SD卡版本类型进行判断，同时返回响应信息。

关于sd.c文件中其他函数，程序中都有相应注释，可结合注释以及《 Physical Layer Simplified Specification V2.0》手册进行理解。

main.c文件

复制

int main(void)

{

    u32 sd_size;



        NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

    Delay_Init();

        USART_Printf_Init(115200);



        printf("SystemClk:%d\r\n",SystemCoreClock);

        printf("This is SD Test example\r\n");



        if(SD_Detect()==0)

        {

            printf("未检测SD卡插入!\n");

        }

        else

        {

            printf("已检测SD卡插入!\n");



            if(SD_Initialize())

            {

                printf("SD卡初始化出错，请检查！!\n");

                Delay_Ms(500);

            }

            else

            {

                printf("SD卡初始化完成！\n");

                sd_size=SD_GetSectorCount();//得到扇区数

                printf("SD Card Size（MB）:%d\n",sd_size>>11);

            }

        }



        while(1)

    {

        }

}