【STM32】SD卡

(一)常用卡的认识

在学习这个内容之前，作为生活小白的我对于SD卡、TF卡、SIM卡毫无了解，晕头转向。

SD卡：Secure Digital Card的英文缩写，直译就是“安全数字卡”。一般用于大一些的电子设备比如：电脑、数码相机、AV等，做外存储器用。

TF卡：T-Flash卡，又叫micro SD卡，即微型SD卡。TF卡内存比较小，一般用于手机、mp4等小型数码电子产品的外存储器用。

SIM卡：用户身份识别卡，差不多就是手机卡，智能卡

SIM卡我们非常熟知，当做手机卡等在用，那TF卡和SD卡又有什么区别呢？

（1）卡的外形不同：SD卡比TF卡的尺寸要大，SD卡上有一个lock开关，即写保护开关，而TF卡没有

（2）转换代替：TF卡插入适配器可以转换成SD卡，但是SD卡一般无法转换成TF卡

(二)SD卡介绍

特点:容量大、高安全性、体积小

1.种类

SD存储容量等级分为四种

SDSC---标准容量SD卡【第一张卡，利用 FAT32 文件系统 因此它不能超过 2 GB的存储空间 ，目前它们已退出市场。】

最高2GB

SDHC---高容量SD存储卡【他们的能力范围从 2 GB至32 GB ，也因存储容量低而退出当前市场。 它是第一个使用 exFAT文件系统 】

2GB-32GB

SDXC---容量扩大化的安全存储卡(基于NAN闪存技术)【今天最常用的，因为它可以达到 2 TB的存储空间 】

32GB-2TB

SDUC---超容量SD存储卡【如果 2 TB 的容量对您来说太少，那么您可以选择 SDUC，但是它们目前稀有且昂贵，到时候还是将取代 SDXC】

2TB-128TB

注意：STM32最大仅支持32GB SD卡

2.文件形式

如果你对SD卡跟EEPROM或者NOR FLASH操作，读写数据并验证数据的准确性，则不需要FAT文件系统

但是，SD卡经常被用在Windows操作系统上存取数据，就就得使用操作系统支持的FAT文件系统

3.速度等级

SD卡还根据读写速度划分为不同的速度等级，以满足不同应用场景的需求：

写入速度等级有三个参数表示，分别是普通的速度等级Speed Class（C），超高速速度等级UHS Speed Class（U），视频速度等级Video Speed Class*（V），代表数字表示最低写入速度。

【C】普通的速度等级Speed Class ​ 有Class 2、Class 4、Class 6和Class 10，简写为C2、C4、C6、C10，分别表示最低写入速度为2MB/s、4MB/s、6MB/s、10MB/s。C10代表可用于高速或更高速的模式。

【U】超高速速度等级UHS Speed Class ​ UHS Speed Class 1和UHS Speed Class 3，简写为U1、U3。U1代表最低写入速度为10M/S，U3代表最低写入速度为30M/S。UHS与U1/U3（UHS Speed Class）不同，不要弄混了。一个是接口标准，一个是速度

【V】视频速度等级Video Speed Class ​ 有V6、V10、V30、V60和V90，V后面的数字表示最低写入速度，单位MB/s，V6表示最低写入速度为6MB/s，V90表示最低写入速度为90MB/s。这个参数对录制视频来说非常重要，录制不同画质的视频对存储卡视频速度等级也不一样。如果要录制4k画质视频，必须要用V30以上的存储卡。

(三)SD卡的驱动介绍

1.SD卡引脚以及接口

9pinSD卡内部结构

SD 卡允许不同的接口来访问它的内部存储单元。最常见的是 SDIO 模式 和 SPI 模式，根据这两种接口模式，我们也列出 SD 卡引脚对应于这两种不同的电路模式的引脚功能定义

microSD 引脚，比 SD 卡少了一个电源引脚 VSS2，其它的引脚功能类似，操作时序也完全相同，所以可以用完全相同的代码驱动

2.SD卡寄存器

SD卡有8个寄存器，但是不能直接进行读写操作，需要通过命令来控制。SD卡根据收到的命令要求对内部寄存器进行修改

3.SD命令以及响应

一个完整的 SD 卡操作过程是：主机(单片机等)发起“命令”--》SD 卡根据命令的内容决定是否发送响应信息及数据等，如果是数据读/写操作，主机还需要发送停止读/写数据的命令来结束本次操作，这意味着主机发起命令指令后，SD 卡可以没有响应、数据等过程，这取决于命令的含义。

（1）命令格式

SD卡命令格式由6个字节所组成，发送数据时高位在前，SD卡的写入命令格式如下：

SD 卡的命令固定为 48 位，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，为 10000B 即 16 进制的 0X10，完整的 CMD16，第一个字节为 01010000， 即 0X10+0X40）。字节 2~5为命令参数，有些命令是没有参数的。字节 6 的高七位为 CRC 值， 最低位恒定为 1。

（2）SD卡命令

SD 卡的命令总共有 12 类，分为 Class0~Class11，以下为一些重要命令

上图中，大部分的命令是初始化的时候用的，而表中的 R1、R1b、R2、R3、R6 和 R7 等是 SD卡的应答信号。在主机发送有响应的命令后，SD卡都会给出相对应的应答，以告知主机 该命令的执行情况，或者返回主机需要获取的数据。

（2）SD卡响应

响应，分为长响应136bit、短响应48bit。R1、R1b、 R3、R6 和 R7 属于短响应，而 R2 属于长响应（若使用SDLO接口时，响应通过cmd线传输）

（3）响应接口格式

响应因使用接口不同，格式也不同

（4）卡模式

在SD卡系统（主机和SD卡）定义了两种操作模式：卡识别模式（识别总线上的SD卡类型）和数据传输模式（读写操作）

系统复位后，主机和SD卡都处于卡识别模式，主机在总线上找设备。当SD卡被识别后，SD卡也进入数据传输模式，而主机在总线上是所有卡都被识别后也进入数据传输模式。

只关注两个模式：卡识别模式和数据传输模式就好了。

在系统复位之后，主机处于卡识别模式，寻找总线上可用的 SDIO 设备，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；同时，SD 卡也处于卡识别模式， 直到被主机识别到，即当 SD 卡在卡识别状态接收到 CMD3 (SEND_RCA)命令后，SD 卡就进 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。

在卡识别模式下，主机会复位所有处于“卡识别模式”的 SD 卡，确认其工作电压范围， 识别 SD 卡类型，并且获取 SD 卡的相对地址(卡相对地址较短，便于寻址)。在卡识别过程中， 要求 SD 卡工作在识别时钟频率 FOD 的状态下。

• 上电

• CMD0【软件复位】

• CMD8【主机询问SD卡是否支持电压范围】（V2.0卡支持该命令，V1.x和MMC卡不支持）

  • 如果R1响应，ACMD41

    • R3响应【判断是高容量还是标准】（响应R3中返回OCR寄存器：CCS1 高容量V2.0卡，CCS0 标准V2.0卡）

  • 如果R1不响应，ACMD41【用于判断是V1.x卡还是MMC卡，其中MMC不支持】

    • R1响应，则为V1.x卡

    • R1不响应，CMD1【判断MMC卡或其他不能被识别的卡，其中CMD1激活MMC卡】

      • 响应则是MMC卡

主机上电后，所有卡处于空闲状态，包括当前处于无效状态的卡。主机也可以发送 GO_IDLE_STATE(CMD0)让所有卡软复位从而进入空闲状态，但当前处于无效状态的卡并不 会复位。 主机在开始与卡通信前，需要先确定双方在互相支持的电压范围内。SD 卡有一个电压支持范围，主机当前电压必须在该范围可能才能与卡正常通信。

SEND_IF_COND(CMD8)命令就是用于验证卡接口操作条件的(主要是电压支持)。卡会根据命令的参数来检测操作条件匹配性，如果卡支持主机电压就产生响应，否则不响应。而主机则根据响应内容确定卡的电压匹配性。

SD_SEND_OP_COND(ACMD41)命令可以识别或拒绝不匹配它的电压范围的卡。 ACMD41 命令的 VDD 电压参数用于设置主机支持电压范围，卡响应会返回卡支持的电压范围。

ALL_SEND_CID(CMD2)用来控制所有卡返回它们的卡识别号(CID)，处于准备状态的卡 在发送 CID之后就进入识别状态。之后主机就发送 SEND_RELATIVE_ADDR(CMD3)命令，让 卡自己推荐一个相对地址(RCA)并响应命令。这个 RCA 是 16bit 地址，而 CID 是 128bit 地址， 使用 RCA 简化通信。卡在接收到 CMD3 并发出响应后就进入数据传输模式，并处于待机状态， 主机在获取所有卡 RCA 之后也进入数据传输模式。

下图为数据传播模式卡状态转换

（5）数据块读取流程

1.SD卡单块数据块读取流程

1. 发送CMD16指令，设置数据块大小

2. 等待CMD16响应（R1）

3. 发送CMD17指令，开始读取数据

4. 等待CMD17响应（R1）

5. 读一个数据块的数据

   其中注意的是：CMD16设置的数据块大小，一般是512字节，此设置直接决定了SD卡的块大小，SD卡默认的块大小自动失效

2.SD卡多块数据块读取流程

1. 发送CMD16指令，设置数据块大小

2. 等待CMD16响应（R1）

3. 发送 CMD18指令，开始读数据块

4. 等待CMD18响应（R1）

5. 读一个数据块的数据

6. 读两个数据块的数据

7. 读n个数据块的数据

8. 发送CMD12指令，结束数据块读取

9. 等待CMD12响应（R1）

10. 结束多块数据块读取

（5）数据传输格式

SD卡有两种数据模式，一种是常规的 8位宽，即一次按一字节传输，另一种是一次按 512 字节传输，我们只介绍前面一种。当按 8-bit 连续传输时，每次传输从最低字节开始，每字节从最高位(MSB)开始发送，当使用一条数据线时，只能通过 DAT0** 进行数据传输

当使用 4 线模式传输 8-bit 结构的数据时，数据仍按 MSB 先发送的原则，DAT[3:0]的高位发送高数据位，低位发送低数据位。其特点为可提升传输速率。

（四）STM32驱动SD卡代码解析

1.原理图：

（1）SDIO_CK ---> 产生时钟

[SDIO_CK = SDIOCLK【48MHZ】 / ( 2 + CLKDIV ) SD卡初始化时，SDIO_CK不可超过400Khz,初始化完成之后，可设为最大操作频率（但不能超过25Mhz） ]  

（2）SDIO_CMD ---> 发送命令、接收响应

（3）SDIO_D ---> 双向传输数据

2.STM32F4 HAL函数

HAL库有为我们准备专门驱动SD卡的代码，主要存放在 stm32f4xx_hal_sd.c/h 下。

（1）HAL_SD_Init函数

初始化SIOD外设操作，其声明如下

HAL_StatusTypeDef HAL_SD_Init(SD_HandleTypeDef *hsd)

形参是一个SD卡的句柄，精简后如下

typedef struct
{SD_TypeDef                   *Instance;        /*!< SD 相关寄存器基地址           */SD_InitTypeDef               Init;             /*!<  SDIO 初始化变量             */HAL_LockTypeDef              Lock;             /*!< 互斥锁，用于解决外设访问冲突    */uint8_t                      *pTxBuffPtr;      /*!< SD 发送数据指针              */uint32_t                     TxXferSize;       /*!< SD 发送缓存按字节数的大小      */uint8_t                      *pRxBuffPtr;      /*!< SD 接收数据指针              */uint32_t                     RxXferSize;       /*!< SD 接收缓存按字节数的大小      */__IO uint32_t                Context;          /*!<  HAL 库对 SD 卡的操作阶段     */__IO HAL_SD_StateTypeDef     State;            /*!<  SD 卡操作状态               */ __IO uint32_t                ErrorCode;        /*!< SD 卡错误代码                */DMA_HandleTypeDef            *hdmatx;          /*!< SD DMA 数据发送指针          */DMA_HandleTypeDef            *hdmarx;          /*!<  SD DMA 数据接收指针         */HAL_SD_CardInfoTypeDef       SdCard;           /*!< SD 卡信息                   */uint32_t                     CSD[4];           /*!<  保存 SD 卡 CSD 寄存器信息    */uint32_t                     CID[4];           /*!< 保存 SD 卡 CID 寄存器信息     */
}SD_HandleTypeDef;

其中的

typedef struct
{uint32_t CardType;                     /*!< 存储卡类型标记：标准卡、高速卡           */uint32_t CardVersion;                  /*!<  存储卡版本            */uint32_t Class;                        /*!< 卡类型  */uint32_t RelCardAdd;                   /*!< 卡相对地址  */uint32_t BlockNbr;                     /*!< 卡存储块数 */uint32_t BlockSize;                    /*!< SD 卡每个存储块大小    */uint32_t LogBlockNbr;                  /*!<  以块表示的卡逻辑容量*/uint32_t LogBlockSize;                 /*!< 以字节为单位的逻辑块大小 */
}HAL_SD_CardInfoTypeDef;

（2)HAL_SD_ConfigWideBusOperation 函数

SD 卡上电后默认使用 1 位数据总线进行数据传输，卡如果允许，可以在初始化完成后重新设置 SD 卡的数据位宽以加快数据传输过程,以下是可修改的总线宽度值

#define SDIO_BUS_WIDE_1B ((uint32_t)0x00000000U)
#define SDIO_BUS_WIDE_4B SDIO_CLKCR_WIDBUS_0
#define SDIO_BUS_WIDE_8B SDIO_CLKCR_WIDBUS_1

（3） HAL_SD_ReadBlocks 函数

SD 卡初始化后从 SD 卡的指定扇区读一定数量的数据：

HAL_StatusTypeDef HAL_SD_ReadBlocks (SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData,
uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks, uint32_t Timeout);

（4）HAL_SD_WriteBlocks 函数

SD 卡初始化后，在 SD 卡的指定扇区写入一定数量的数据

HAL_StatusTypeDef HAL_SD_WriteBlocks (SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData,
uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks, uint32_t Timeout);

（5）HAL_SD_GetCardInfo 函数

SD 卡初始化后，根据设备句柄读 SD 卡的相关状态信息

HAL_StatusTypeDef HAL_SD_GetCardInfo(SD_HandleTypeDef *hsd,HAL_SD_CardInfoTypeDe*pCardInfo);

3.SDIO驱动SD卡关键代码

（1）使能SDIO和相关GPIO时钟，设置好GPIO工作模式

（2）初始化SDIO

（3）初始化SD卡

sd_init 函数：填充SDMMC结构体的控制句柄，然后使用HAL库的 HAL_SD_Init 初始化函数即可，在此过程中 HAL_SD_Init 会调用 HAL_SD_MspInit 函数回调函数，根据外设的情况，我们可以设置数据总线宽度为 4 位

（4）SD卡读取扇区数据

上我们使用它来对 HAL 库的读函数 HAL_SD_ReadBlocks进行了二次封装，并在最后加入了状态判断以使后续操作（实际上这部分代码也可以省略），直接根据读函数返回值自己作其它处理。为了保护 SD 卡的数据操作，我们在进行操作时暂时关闭了中断以防止数据读过程发生意外。

（5）SD卡写入扇区数据

我们使用它来对 HAL 库的写函数 HAL_SD_WriteBlocks 进行了二次封装，并在最后加入了状态判断以使后续操作（实际上这部分代码也可以省略），直接根据写函数返回值自己作其它处理。为了保护 SD 卡的数据操作，我们在进行操作时暂时关闭了中断以防止数据写过程发生意外。

4.SPI驱动SD卡步骤

（1）SD卡初始化

SPI操作模式下：在SD卡收到复位命令时，CS为有效电平（低电平），则SPI模式被启用，在发送CMD之前要先发送74个时钟，64个为内部供电上升时间，10个用于SD卡同步；之后才能开始CMD操作，在初始化时CLK时钟不能超过400KHz。

（1）初始化与SD卡连接的硬件条件（MCU的SPI配置，IO口配置）

（2）上电延时（>74个CLK）

（3）复位卡（CMD0），进入IDLE状态

（4）发送CMD8，检查是否支持2.0协议

（5）根据不同协议检查SD卡（命令包括：CMD55、CMD41、CMD58和CMD1等）

（6）取消片选，发多8个CLK，结束初始化

这样我们就完成了对SD卡的初始化，注意末尾发送的8个CLK是提供SD卡额外的时钟，完成某些操作。通过SD卡初始化，我们可以知道SD卡的类型（V1、V2、V2HC或者MMC），在完成了初始化之后，就可以开始读写数据了。

（2）SD卡读扇区数据

（1）发送CMD17

（2）接收卡响应R1

（3）接收数据起始令牌0XFE

（4）接收数据

（5）接收2个字节的CRC，如果不使用CRC，这两个字节在读取后可以丢掉

（6）禁止片选之后，发多8个CLK

（3）SD卡写入数据

（1）发送CMD24

（2）接收卡响应R**1**

（3）发送写数据起始令牌0XFE

（4）发送数据

（5）发送2字节的伪CRC

（6）禁止片选之后，发多8个CLK

5.SDIO驱动SD卡实验

打开SDIO

打开中断

打开usart1

打开其中断

关键也就这两个操作，其它操作都很简单，就是配配时钟，这里要提到一个小地方：一定要打开debug当中的Serial，否则程序烧录一次之后就会识别烧录器失败！！！但也不要怕，本人一早到解决方法：BOOT0用杜邦线接3V3,然后按一下开发板上的reset键，亲测有效！！！

生成完工程之后，为了串口调试方便，在usart.c当中加入以下

#include "stdio.h"
int fputc(int ch, FILE *f)
{HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t *)&ch, 1, 0xffff);return ch;
}/*** 函数功能: 重定向c库函数getchar,scanf到DEBUG_USARTx* 输入参数: 无* 返 回 值: 无* 说    明：无*/
int fgetc(FILE *f)
{uint8_t ch = 0;HAL_UART_Receive(&huart1, &ch, 1, 0xffff);return ch;
}

接着在main.c文件声明SD对象

HAL_SD_CardInfoTypeDef pCardInfo;

声明

#define BLOCK_SIZE   512                            //一个块的字节数
#define NUMBERS_PER_CHUNK 512                                           //多少个数据存一次
#define INT_SIZE 1                                                      //一个数值占几个字节
#define BUFFER_SIZE (NUMBERS_PER_CHUNK * INT_SIZE)  //存一次sd卡的数组的大小（其实就是512）uint8_t buffer_TX[NUMBERS_PER_CHUNK];                           // 用于暂时存储需要发送到SD卡的数据
uint8_t buffer_RX[NUMBERS_PER_CHUNK];                           // 用于接收从SD卡中读取来的数据  

插上SD卡 在main当中添加查看SD卡信息

    HAL_SD_GetCardInfo(&hsd,&pCardInfo);printf("SD卡类型：%u\r\n",pCardInfo.CardType);          //卡的类型printf("SD卡版本：%u\r\n",pCardInfo.CardVersion); //卡的版本printf("SD卡块数：%u\r\n",pCardInfo.BlockNbr);    //SD卡块数printf("SD卡每块大小：%u\r\n",pCardInfo.BlockSize);//每一块的大小

（1）读取SD卡中的数据

            for(int chunk=0;chunk<1;chunk++){//计算读取的块数量uint32_t blocksToRead = BUFFER_SIZE/BLOCKSIZE;//从SD卡读取数量if(HAL_SD_ReadBlocks(&hsd,(uint8_t *)buffer_RX,blockNum,1,1000)==HAL_OK){while(HAL_SD_GetCardState(&hsd)!=HAL_SD_CARD_TRANSFER);//返回到传输状态退出for(int i=0;i<NUMBERS_PER_CHUNK;i++){printf("%d\t",buffer_RX[i]);}printf("\n读取成功！\n");}else{printf("读取失败！\n");}blockNum +=1;//更新块号读取下一个段}

由于篇幅过长，可以看下一篇文章具体讲解以及更多玩法！