第二十五章：CH32V103应用教程——SD卡测试

草帽王子 · 发表于 2021-4-25 19:14:51

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本帖最后由草帽王子于 2021-9-10 17:09 编辑

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，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：

CH32V CH573单片机芯片-第二十五章：CH32V103应用教程——SD卡测试risc-v单片机中文社区(1)

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：

CH32V CH573单片机芯片-第二十五章：CH32V103应用教程——SD卡测试risc-v单片机中文社区(2)

SD卡R1响应格式如下：

CH32V CH573单片机芯片-第二十五章：CH32V103应用教程——SD卡测试risc-v单片机中文社区(3)

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

#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

复制代码

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

#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;//
}

复制代码

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