SD NAND 的 SDIO在STM32上的应用详解(上篇）

目录

上篇：

• 一.SDIO简介

• 二.SD卡简介/内部结构

•       1.SD卡/SD NAND引脚

•       2.SD卡寄存器

•       3.FLASH存储器

• 三.SDIO总线拓扑

中篇：

• 四.SDIO功能框图(重点)

•       1.SDIO适配器

•       2.控制单元

•       3.命令通道(重点)

•       4.数据通道

• 五.命令与响应

•       1.命令格式

•       2.命令类型

•       3.命令描述

•       4.响应类型

• 六.SD卡/SD NAND功能描述（重重点）

•       1.操作条件确认

        2.卡识别模式

•       3.数据传输模式

下篇：

• 七.SDIO外设结构体

•       1.SDIO初始化结构体

•       2.SDIO命令初始化结构体

•       3.SDIO数据初始化结构体

• 八.SD卡读写测试实验

•       1.硬件设计

•       2.代码讲解

•       3.实验结果

一.SDIO简介

SDIO (Secure Digital Input and Output)全称安全数字输入/输出接口，在AHB外设总线和多媒体卡(MMC)、SD存储卡、SDIO卡和CE-ATA设备间提供了操作接口。

• 多媒体卡(MMC)

MMC（MultiMedia Card）卡由西门子公司和首推CF的SanDisk于1997年推出多媒体卡(MMC)是一种小型(24x32或18x1.4mm)可擦除固态存储卡，其全称为Multi-Media Card，特别应用于移动电话和数字影像及其他移动终端中。

• SD卡：（Secure Digital Memory Card）

SD卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备。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卡数据传送和物理规范由MMC发展而来，大小和MMC差不多，但是容纳更大容量的存贮单元。SD卡与MMC卡保持着向上兼容，也就是说，MMC可以被新的SD设备存取，兼容性则取决于应用软件，但SD卡却不可以被MMC设备存取。**

应用：SD卡的结构能保证数字文件传送的安全性，也很容易重新格式化，所以有着广泛的应用领域，音乐、电影、新闻等多媒体文件都可以方便地保存到SD卡中。因此不少数码相机也开始支持SD卡。

• SD I/O 卡

本身不是用于存储的卡，它是指利用 SDIO 传输协议的一种外设。比如 Wi-Fi Card，它主要是提供 Wi-Fi 功能，有些 Wi-Fi 模块是使用串口或者 SPI 接口进行通信的，但 Wi-Fi SDIO Card 是使用 SDIO 接口进行通信的，一般设计 SD I/O 卡是可以插入到 SD 的插槽

• CE-ATA设备

CE-ATA 一种基于为了节省接口IO数量，专为轻薄 笔记本硬盘 设计的笔记本硬盘高速通讯接口。 一种使用MMC接口界面，ATA指令集的笔记本电脑 硬盘接口

结论：MMC卡是SD卡的前身，也就是说SD将取代MMC卡的地位，MMC卡也用的越来越少，所以我们后面只讲SD卡.

• SDIO的主要功能：
  （关于不是SD卡的就不介绍了）
  1.与SD存储卡规格版本2.0全兼容（向前兼容）
  2.数据和命令输出使能信号，用于控制外部双向驱动器。

• SDIO外设挂载在STM32的AHB总线。

这样一来，STM32(主机)，就可以通过AHB总线，控制SDIO外设的寄存器进而控制SDIO外设读/写SD卡，SDIO外设向SD卡传输数据，或者向SD卡接收数据可以使用DMA进行传输(这样可以省去很多繁琐的步骤后面再讲)

当前版本的SDIO在同一时间里只能支持一个SD卡（这是ST公司限制的）

二.SD卡简介/内部结构

SD卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备。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卡数据传送和物理规范由MMC发展而来，大小和MMC差不多，但是容纳更大容量的存贮单元。SD卡与MMC卡保持着向上兼容，也就是说，MMC可以被新的SD设备存取，兼容性则取决于应用软件，但SD卡却不可以被MMC设备存取。**

应用：SD卡的结构能保证数字文件传送的安全性，也很容易重新格式化，所以有着广泛的应用领域，音乐、电影、新闻等多媒体文件都可以方便地保存到SD卡中。因此不少数码相机也开始支持SD卡。

SD卡采用的是采用了NandFlash存储器，稍后解释NandFlash与NorFlash的区别。

 

1.卡容量

• 标准容量 SD 卡，支持最大 2GB 的容量。所有的物理规格文档都会定义这种。

• 高容量 SD 卡(SDHC)，支持超过 2GB 的容量。本文档解释的规格最大为 32GB 容量。只有 SDIO支持 2.0 协议才能够识别这种高容量 SD 卡(而SDIO外设正好最高支持到2.0协议)。

STM32F10x 系列控制器只支持 SD 卡规范版本 2.0，即只支持标准容量 SD 和高容量SDHC 标准卡，不支持超大容量 (大于32GB)SDXC 标准卡，所以STM32可以支持的最高卡容量是 32GB。

2.速度等级
我们定义了 4 个速度等级，来表示卡的最小速率：(实际上目前最高 Class10)
● Class 0 – 这种卡不定义具体性能，代表了这个规范出来之前的所有卡
● Class 2 – 最小 2MB/s 的性能
● Class 4 – 最小 4MB/s 的性能
● Class 6 – 最小 6MB/s 的性能
● Class 8 – 最小 8MB/s 的性能
● Class 10 – 最小 10MB/s 的性

SD卡的内部构造：

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；

1.SD卡/SD NAND引脚

1)SD卡引脚

SD 卡使用 9-pin 接口通信，其中 3 根电源线、1 根时钟线、1 根命令线和 4 根数据线，具体说明如下：

• CLK：时钟线，由 SDIO 主机产生，即由 STM32 控制器输出，最高 25MB/s 的接口速度（使用4条并行数据线）；

• CMD：命令控制线，SDIO 主机通过该线发送命令控制 SD 卡，如果命令要求 SD 卡提供应答(响应)，SD 卡也是通过该线传输应答信息(即命令响应都是通过CMD命令控制线来串行传输的)；

• D0-3：数据线，传输读写数据；SD 卡可将 D0 拉低表示忙状态； VDD、VSS1、VSS2：电源和地信号。

2.SD卡寄存器

卡控制单元控制 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

SD 卡总共有 8 个寄存器，用于设定或表示 SD 卡信息，这些寄存器只能通过对应的命令访问(STM32主机通过驱动SDIO外设通过CMD命令线向从机SD卡发送命令)，SDIO 定义了 64 个命令，每个命令都有特殊意义，可以实现某一特定功能，SD 卡接收到命令后，根据命令要求对 SD 卡内部寄存器进行修改，程序控制中只需要发送组合命令就可以实现 SD 卡的控制以及读写操作。

• 1.CID 寄存器(重点了解)
  卡识别(CID)寄存器是一个 128 位的寄存器。包含了卡的识别信息，用于卡识别解析（具有唯一性）。每个读/写卡都有一个特殊的识别号。CID 寄存器的结构如下：

  

• 2.RCA 寄存器(重点了解)
  可写的 16 位SD卡相对地址寄存器，在SD卡的初始化期间，由SD卡向外发布的卡地址。这个地址用于卡初始化进程之后，主机同卡之间的交互寻址。（在主机向SD卡读写数据时，就是发送CMD7选择/取消选择 RCA 地址卡，就是靠RCA来确定主机与哪张卡通信）
  为啥不用上面的CID呢 ？
  答：因为它太长了128位呢，仅此而已

• 3.CSD 寄存器(2.0)
  CSD V2.0 只适用于高容量

  

• 4.SCR 寄存器
  作为 CSD 寄存器的补充，另一个配置寄存器称为 SD 卡配置寄存器(SCR)。SCR 提供了 SD 卡的特殊功能的信息。SCR 是一个 64bit 的寄存器，这个寄存器应该由 SD 厂家设置。

  

• 5.OCR 寄存器(重点了解)

32 位的操作条件寄存器(OCR)存储了卡的 VDD 电压描述。另外，还包括了状态信息位。如果卡的上电程序完成，一个状态位会被设置。寄存器还包括另一个状态位，在设置上电状态位后，用来表明卡的容量状态。

Bit31 – 卡上电状态位(busy)，这个状态位在卡的上电流程完成后设置。
Bit30 – 卡容量状态位(CCS)，如果是高容量卡，设置为 1，如果是标准卡，设置为 0。

卡容量状态位只有在上电流程完成，且 Bit31 设置为 1 之后才有效。主机可以读取这个状态位来判断卡的种类

上面这些寄存器的只要了解即可，后面用的不多，等后面用到再讲这样就能有个更深刻的认识。

3.FLASH存储器

1)FLASH简介
FLSAH 存储器又称闪存，它与 EEPROM 都是掉电后数据不丢失的存储器，但 FLASH存储器容量普遍大于 EEPROM，现在基本取代了它的地位。我们生活中常用的 U 盘、SD卡、SSD 固态硬盘以及我们STM32 芯片内部用于存储程序的设备，都是 FLASH 类型的存储器。在存储控制上，最主要的区别是 FLASH 芯片只能一大片一大片地擦写，而在“I2C章节”中我们了解到 EEPROM 可以单个字节擦写。

2)NOR FLASH 和 NAND FLASH的区别
FLASH 存储器又分为 NOR FLASH 和 NAND FLASH

NOR 与 NAND 的共性是在数据写入前都需要有擦除操作，而擦除操作一般是以“扇区/块”为单位的。

而 NOR 与 NAND 特性的差别，主要是由于其内部“地址/数据线”是否分开导致的。由于 NOR 的地址线和数据线分开，它可以按“字节”读写数据，符合 CPU 的指令译码执行要求，而由于 NAND 的数据和地址线共用，只能按“块”来读写数据，所以不符合CPU指令译码要求。

所以NOR FLASH 一般应用在代码存储的场合，如嵌入式控制器内部的程序存储空间。

而 NAND FLASH 一般应用在大数据量存储的场合，包括 SD 卡、U 盘以及固态硬盘等，都是 NAND FLASH 类型的。

总结一句话：NOR FLASH贵而精，NAND FLASH大而便宜

所以我们的SD卡用 NAND FLASH 作为存储单元

存储单元是存储数据部件，存储单元通过存储单元接口与卡控制
单元进行数据传输

三.SDIO总线拓扑

总线上的通信是通过传送命令和数据实现。
在SD卡总线上的基本操作是命令/响应结构(主机发送命令给SD卡，SD卡是否进行响应，主机发生命令和SD卡响应都是通过命令线(CMD)传输的(有一个响应例外等下说))，这样的总线操作在命令或总线机制下实现信息交换。

在SD/SDIO存储器卡上传送的数据是以数据块的形式传输；在MMC上传送的数据是以数据块或数据流的形式传输；

SD 卡总线有一个主机,多个SD卡，时钟线(CLK)，电源(VDD)和地信号(VSS)是所以卡共用。命令线(CMD)和数据线(DAT0-3)信号是根据每张卡的。

理论上主机可以与多张卡进行数据交互，虽然可以共用总线，但不推荐多卡槽共用总线信号，要求一个单独 SD 总线应该连接一个单独的 SD 卡。
即STM32只能接一张SD卡

SDIO 不管是从主机控制器向 SD 卡传输，还是 SD 卡向主机控制器传输都只以 CLK 时钟线的上升沿为有效。SD 卡操作过程会使用两种不同频率的时钟同步数据：
识别卡阶段：时钟频率 FOD，最高为 400kHz
数据传输模式：时钟频率FPP，默认最高为 25MHz
如果通过相关寄存器配置使 SDIO 工作在高速模式，此时数据
传输模式最高频率为 50MHz

为什么卡识别阶段的频率低？
卡识别的时候为了兼容识别不同版本的SD卡

SD 总线通信是基于命令和数据传输的。通讯由一个起始位(“0”)，由一个停止位(“1”)终止，SD 通信一般是主机发送一个命令(Command)，从设备在接收到命令后作出响应(Response)，如有需要会有数据(Data)传输参与。

SD 数据是以块形式传输的，SDHC 卡数据块长度一般为 512 字节，数据可以从主机到卡，也可以是从卡到主机。数据块需要 CRC 位来校验数据。CRC 位由 SD卡系统硬件生成。STM32 控制器可以控制使用单线或 4 线传输(D0-D3)。

SD 数据传输支持单块和多块读写，它们分别对应不同的操作命令，多块写入还需要使用命令来停止整个写入操作。数据写入前需要检测 SD 卡忙状态，因为 SD 卡在接收到数据后存储到存储区（NandFlash）过程需要一定操作时间。SD 卡忙状态通过把 D0 线拉低表示。

• 数据传输：

使用 4 数据线(D0~D3)传输时，每次传输 4bit 数据，每根数据线都必须有起始位、终止位以及CRC 位，CRC 位每根数据线都要分别检查，并把检查结果汇总然后在数据传输完后通过D0 线反馈给主机。
SD 卡有两种数据包格式。

• 1.常规数据(8bit 宽)：常规数据发送是先低字节，再高字节的顺序，但是每个字节则是先高位后低位
   

  

  
  数据位在四线顺序排列发送，DAT3 数据线发较高位，DAT0 数据线发较低位。

• 2.宽位数据(SD 存储寄存器)：宽位数据从高位开始传输。

对 SD 卡而言宽位数据包发送方式是针对 SD 卡 SSR(SD 状态)寄存器内容发送的，SSR 寄存器总共有 512bit，在主机发出ACMD13 命令后(当然在发送ACMD13 之前需要发送CMD55 ) SD 卡将 SSR 寄存器内容通过数据线发送给主机。

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SD NAND 的 SDIO在STM32上的应用详解（上篇）: SD NAND 的 SDIO在STM32上的应用详解(上篇） 

SD NAND 的 SDIO在STM32上的应用详解（中篇）: SD NAND 的 SDIO在STM32上的应用详解(中篇） 

SD NAND 的 SDIO在STM32上的应用详解（下篇）: SD NAND 的 SDIO在STM32上的应用详解（下篇）