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STM32_SD卡的SDIO通信_基础读写

本篇将使用CubeMX+Keil,  创建一个SD卡读写的工程。

目录

一、SD卡要点速读

二、SDIO要点速读

三、SD卡座接线原理图

四、CubeMX新建工程

五、CubeMX 生成 SD卡的SDIO通信部分

六、Keil 编辑工程代码

七、实验效果

实现效果,如下图:


一、SD卡 速读

SD卡,全称Secure Digital Memory Card(安全数码卡),是嵌入式设备上常用的一种存储介质。

1、尺寸大小 分类

按卡的大小分类,可以为3种:

  • 标准SD卡 :体积较大,卡侧带写保护开关;常见于相机和摄像机中,用于存储高分辨率照片和视频;
  • mini SD卡 :现在较少看到,已逐渐被microSD卡取代;
  • Micro SD卡:旧称 TF卡,2004年更名为 Micro SD Card, 常用于扩展手机和平板电脑的存储空间。

每种卡形状大小不一,但功能一样:遵循相同的 SD卡协议、相同的命令集、相同的块大小(512)。只需确保SDIO引脚配置正确,并且遵循SD卡协议发送正确的命令,程序即可通用。

都是SD卡,但习惯上,标准SD叫SD卡,Micro SD叫TF卡。

目前,STM32开发板、Linux开发板 等,预留的卡座,一般是TF卡座,因为它占用空间最少。

2、卡的容量及标准 分类

在SD卡的表面丝印上,会有HC、XC等字样,表示它所使用的存储标准。

  • SD: 早期的版本,基本停用,最高 2GB, 分区格式为 FAT12(FAT)、FAT16。
  • SDHC:容量范围 2GB ~ 32GB, 分区格式为 FAT32。
  • SDXC:容量范围 32GB ~ 2TB, 分区格式为 exFAT。
  • SDUC:容量范围 2TB ~ 128TB, 分区格式为 exFAT。

3、SD卡的传输速度

SD卡的可变时钟频率:0~25MHz。当运行在25M+数据带宽4位时,最大理论传输速度是12.5MB/s。

而操作中,会明显低于理论速度,其受限于不同品牌的芯片优化、制造工芯、采用标准等。

SD卡是Flash存储,读写速度特点是:读快、写慢。

SD卡的最低写入速度,用Class等级来标识。

在表面丝印上,一般会有Class字样,它后面的数表示最低写入速度,单位是:MB/s。

或者,会用一个外面带半圆的数字表示。

  • Class 2:2MB/s
  • Class 4:4MB/s
  • Class 6:6MB/s
  • Class 10:10MB/s

附:常用的SD卡读写速率参考,非严谨值。

SD卡容量文件系统写入速度读取速度
32G(SDHC)FAT322MB/s8MB/s
32G(SDHC)exFAT3.5MB/s8.5MB/s
64G(SDXC)exFAT4MB/s8.5MB/s

4、SD卡的使用寿命

一般是指:擦除的最大次数。

写入数据时需要先擦除扇区内容。读数据是不影响使用寿命的,写数据才会影响使用寿命。

因此,应避免频繁地对同一地址(扇区)进行写数据。如:使用程序每隔一秒保存一次数据到同一地址,这是不妥当的。

  • TLC:1000~3000次
  • MLC:3000 ~1万次
  • SLC:可达10万次

擦写次数对使用寿命影响较小,而更容易直接“致死”的是:带电插拔,很容易坏卡,主要是静电原因!


二、SDIO要点速读

原理比较复杂,有兴趣的请自行csdn搜更详细的技术文档,或STM32的官方文档。

  • SD卡的读写通信操作,可以用 SPI、SDIO,本示例使用SDIO。
  • SDIO接口是在SD内存卡接口的基础上发展起来的;
  • SDIO接口除了能读写SD内存卡,还能连接其它SDIO接口的设备;
  • 常用的STM32F103C8,没有SDIO接口,F103系列R型号起,才带SDIO;
  • STM32F4系列芯片,带更完善的SDIO主机接口,能与MMC卡、SD卡、SDI/0卡、EC-ATA设备进行通信;
  • 三种总线模式:1-bit、4-bit、8-bit(不常用);


三、SD卡座接线原理图

STM32的SDIO外设与SD卡通信,通用接线如下图。

注:当使用弹簧式SD卡座,会有第9个脚(CD), 可不接。它用于判断SD卡是否插入,当插入SD卡时,此脚输出低电平。


四、CubeMX新建工程

建议复制一个已带UART1、printf的工程,这样更省时。

如果没有,可参考以下步骤。

1、新建一个普通的工程

新手可参考如下图解,老司机请直接跳过。

【STM32+CubeMX】 新建工程_STM32F407

2、为工程添加UART1通信、printf输出

用于把SD卡的测试信息,(通过USB转TTl),输出到串口助手观察。

如果,你已知晓如何通过printf输出信息,自行添加,跳过即可。

USART1 DMA发送、DMA空闲中断 接收不定长数据

UART1 快速实现移植、通信 ( bsp_UART.c 、bsp_UART.h)


五、CubeMX 配置 SD卡的SDIO 初始化

通过 CubeMX配置SDIO, 极度简单。

本节为方便测试,只使用普通的读写方式,后续篇章再添加DMA、FATFS等方式。

1、使能SDIO

  • Mode:选择SD的四线模式,即 SD 4 bits Wide bus.
  • 参数部分:F4系列不用修改配置,默认即可。F103系列,需把时钟分频系数修改为 6,即SDIOCLK Clock divide factor这一项,由默认0改为6, 不然会通信失败。

2、时钟设置

进入时钟树配置页面。

这时可能会弹出一个询问窗:是否自动配置所需时钟?

选择:NO ,手动修改即可。

如果Yes,它将针对已使能的SDIO进行必须值的配置,而系统时钟值,会被修改为其它值。不推荐。

F4系列,如果板上是25M的晶振,用如下参数值;要是8M的晶振,修改晶振、分频两处为8即可。

重点:箭头所指的Q值,它用于控制USB 、SDIO和随机数生成器的时钟。

这个时钟,必须是 48M ! 

好了,已完成配置。

重新生成工程,即可!


六、Keil 编辑工程代码

1、打开keil 工程,先重新编译一次。

  • 正常情况,编译是0 Error的。
  • 如果有Error,  应该是新建工程时,路径、名称有中文了,重新开建工程,用英文即可。

2、重要修改:SD卡的初始化,使用 1-bit 模式

CubeMX生成的SDIO初始化代码,有一个bug,需要手动修改,操作如下: 

  • 编译后,右击 main.c 文件中函数 MX_SDIO_SD_Init(), 
  • 在弹出菜单中:Go To Definition Of ...;  将跳转到SD卡初始化函数;

跳转到 sdio.c文件的 MX_SDIO_SD_Init()函数内部后,

把下图位置中的 4B,改为 1B ;

它下面还有一个4B,不用修改,只修改刚才那个即可。不要改错位置了!

重点:每次重新生成后,都要手动修改一次。如果不修改,初始化过程会导致程序卡死。

3、编写 读写测试 代码

SD卡的基础读写函数比较简单,常用的函数共4个。

1、获取SD卡信息
HAL_SD_CardInfoTypeDef pCardInfo = {0};          // SD卡信息结构体
HAL_SD_GetCardInfo(&hsd, &pCardInfo);            // 获取 SD 卡的信息2、读数据
HAL_SD_ReadBlocks(&hsd, aOldData, 7, 2, 3000);   //  SD卡的句柄、数据、块地址、块数量、超时ms3、写数据
HAL_SD_WriteBlocks(&hsd, aTestData, 7, 2, 3000)  //  SD卡的句柄、数据、块地址、块数量、超时ms4、擦除数据
HAL_SD_Erase(&hsd, 7, 8)  //  SD卡的句柄、块起始地址、块结束地址

在 main函数内的 /* USER CODE BEGIN 2 */ 注释下方,编写以下代码(可复制):

示例代码里已附详细注释,比较容易理解,流程是:

  • 获取SD卡信息
  • 读取测试块的原数据 
  • 写入测试
  • 擦除测试
  • 写回原数据
    /***************** SD卡读写通信测试 *****************//* 1、获取卡信息,打印到串口助手                    *//* 2、读测试:读出测试位置原数据,保存在 aOldData[] *//* 3、写测试:在测试的块上,写入指定数据            *//*    读出刚才写入的块数据,打印到串口助手观察      *//* 4、擦除测试:擦除指定块上的数据                  *//*    读出刚才擦除块的数据,打印到串口助手观察      *//* 5、写回原数据到指定位置                          *//*    读出刚才写入的块数据,打印到串口助手观察      */    #define SD_TEST_SIZE    1024                                       // 测试数据的字节数,刚好是2个块大小:2x512static uint8_t aOldData[SD_TEST_SIZE] = {0};                       // 用于存放旧数据,先读出来,测试完了,再把旧数据写回去static uint8_t aTestData[SD_TEST_SIZE] = {0};                      // 临时缓存,用来存放测试数据HAL_SD_CardInfoTypeDef pCardInfo = {0};                            // SD卡信息结构体uint8_t status = HAL_SD_GetCardState(&hsd);                        // SD卡状态标志值if (status == HAL_SD_CARD_TRANSFER){/* 1、获取卡信息,打印到串口助手 */HAL_SD_GetCardInfo(&hsd, &pCardInfo);                          // 获取 SD 卡的信息printf("\r1、获取SD卡信息 ... \r\n");printf("卡类型:%d \r\n", pCardInfo.CardType);                 // 类型返回:0-SDSC、1-SDHC/SDXC、3-SECUREDprintf("卡版本:%d \r\n", pCardInfo.CardVersion);              // 版本返回:0-CARD_V1、1-CARD_V2printf("块数量:%d \r\n", pCardInfo.BlockNbr);                 // 可用的块数量printf("块大小:%d \r\n", pCardInfo.BlockSize);                // 每个块的大小; 单位:字节printf("卡容量:%lluG \r\n", ((unsigned long long)pCardInfo.BlockSize * pCardInfo.BlockNbr) / 1024 / 1024 / 1024);  // 计算卡的容量HAL_Delay(1000);                                               // 重要:稍作延时再开始读写测试; 避免有些仿真器烧录期间的多次复位,短暂运行了程序,导致下列读写数据不完整。      /* 2、读测试:读出测试位置原数据,保存在 aOldData[] */printf("\r2、读取测试块的原数据 ... \r\n");memset(aOldData, 0, SD_TEST_SIZE);                             // 清0数组的数据if (HAL_SD_ReadBlocks(&hsd, aOldData, 7, 2, 3000) == HAL_OK)   // 读SD卡数据块; 参数:SD结构体、数据地址、块起始地址、读的块数量、超时时间;{while (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER); // 等待卡的读写操作结束for (uint32_t i = 0; i < SD_TEST_SIZE; i++)                // 打印 原数据printf("%X ",  aOldData[i]);printf("\r\n");}else{printf("SD卡 读测试 失败!\n");            }/* 3-1、写测试:在测试的块上写入数据 */printf("\r3、SD卡 写入测试 ...\r\n");memset(aTestData, 0x8, SD_TEST_SIZE);                          // 为数组准备要写入的测试数据:整个数组填充指定值if (HAL_SD_WriteBlocks(&hsd, aTestData, 7, 2, 3000) == HAL_OK) // 向SD卡写入数据块; 参数:SD结构体、数据地址、块起始地址、写入的块数量、超时时间;{while (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER); // 等待卡的读写操作结束printf("对指定块写入结束! \r写入的数据是:\n");for (uint32_t i = 0; i < SD_TEST_SIZE; i++)                // 打印 写入的数据printf("%X ",  aTestData[i]);printf("\r\n");}else{printf("SD卡 写测试 失败!\n");}/* 3-2、读出刚才写测试的块内数据 */printf("\r现在块内的数据是:\r\n");memset(aTestData, 0, SD_TEST_SIZE);                            // 清0数组的数据if (HAL_SD_ReadBlocks(&hsd, aTestData, 7, 2, 3000) == HAL_OK)  // 读SD卡数据块; 参数:SD结构体、数据地址、块起始地址、读的块数量、超时时间;{while (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER); // 等待卡的读写操作结束for (uint32_t i = 0; i < SD_TEST_SIZE; i++)                // 打印 写入后块内现在数据printf("%X ",  aTestData[i]);printf("\r\n");}else{printf("SD卡 读测试 失败!\n");}/* 4-1、擦除测试:擦除指定块上的数据  */printf("\r4、擦除块测试 ...\r\n");if (HAL_SD_Erase(&hsd, 7, 8) == HAL_OK)                        // 擦除SD卡上的数据; 参数:SD结构体、块的起始地址、块的结束地址{while (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER); // 等待卡的读写操作结束printf("擦除 成功! \r\n");}else{printf("擦除 失败! \r\n");}/* 4-2、读取,擦除后指定块上的数据  */printf("擦除后,现在块内的数据是:\r\n");memset(aTestData, 0, SD_TEST_SIZE);                            // 清0数组的数据if (HAL_SD_ReadBlocks(&hsd, aTestData, 7, 2, 3000) == HAL_OK)  // 读SD卡数据块; 参数:SD结构体、数据地址、块起始地址、读的块数量、超时时间;{while (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER); // 等待卡的读写操作结束for (uint32_t i = 0; i < SD_TEST_SIZE; i++)                // 打印 块内现在的数据printf("%X ",  aTestData[i]);printf("\r\n");}else{printf("SD卡 读测试 失败!\n");}/* 5-1、写回测试块上的原数据 */printf("\r5、写回原数据 ...\r\n");//memset(aOldData, 1, SD_TEST_SIZE);if (HAL_SD_WriteBlocks(&hsd, aOldData, 7, 2, 3000) == HAL_OK)  // 向SD卡写入数据块; 参数:SD结构体、数据地址、块起始地址、写入的块数量、超时时间;{while (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER); // 等待卡的读写操作结束printf("写入结束! \n");}else{printf("SD卡 写回原数据 失败!\n");}        /* 5-2、读取,写入后的数据 */printf("现在块内的数据是: \r\n");memset(aTestData, 0, SD_TEST_SIZE);                            // 清0数组的数据if (HAL_SD_ReadBlocks(&hsd, aTestData, 7, 2, 3000) == HAL_OK)  // 读SD卡数据块; 参数:SD结构体、数据地址、块起始地址、读的块数量、超时时间;{while (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER); // 等待卡的读写操作结束for (uint32_t i = 0; i < SD_TEST_SIZE; i++)                // 打印 块内现在的数据printf("%X ",  aTestData[i]);printf("\r\n\r\n");}else{printf("SD卡 读测试 失败! \r\n");}printf("SD卡 读写测试结束!\r\n");}

完成后,位置如下图:


七、实验效果

程序运行后,串口助手输出如下:

如有错漏 ,望指正~~~!

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