SD卡和SDIO

SD卡和SDIO

SDIO

（1）简介

SDIO，全称： Secure Digital Input and Output ，即安全数字输入输出接口。它是在SD卡接口的基础上发展而来，它可以兼容之前的SD卡，并可以连接SDIO接口设备，例如：蓝牙、WIFI、照相机等。

SDIO和SD卡规范间的一个重要区别是增加了低速标准。低速卡的目标应用是以最小的硬件开支支持低速I/ O能力。低速卡支持类似调制解调器、条码扫描仪和GPS接收器等应用。

STM32的SDIO控制器支持多媒体卡（MMC卡）、SD存储卡、SD I/O卡和CE-ATA设备。

（2）STM32 SDIO接口特点

①与多媒体卡系统规格书版本4.2全兼容。支持三种不同的数据总线模式：1位(默认)、4位和8位。

②与较早的多媒体卡系统规格版本全兼容(向前兼容)。

③与SD存储卡规格版本2.0全兼容。

④与SD I/O卡规格版本2.0全兼容：支持两种不同的数据总线模式：1位(默认)和4位。（MMC多媒体卡支持1位、4位和8位）

⑤完全支持CE-ATA功能(与CE-ATA数字协议版本1.1全兼容)。 8位总线模式下数据传输速率可达48MHz。 （即48M字节/秒）

⑥数据和命令输出使能信号，用于控制外部双向驱动器。

stm32f407的SDIO框图

stm32f103的SDIO框图

由图可知，上述两SDIO的框图不同之处在于总线接口不同，时钟频率也不同

卡时钟（SDIO_CK）：每个时钟周期在命令和数据线上传输1位命令或数据。对于SD或SD I/O卡，时钟频率可以在0MHz至25MHz间变化。

SDIO适配器时钟（SDIOCLK）：该时钟用于驱动SDIO适配器，可用于产生SDIO_CK时钟。对F1来说，SDIOCLK来自HCLK(72Mhz，系统时钟)；对F4来说，SDIOCLK来自PLL48CK(48Mhz)。

F1：AHB总线接口时钟（HCLK/2）：该时钟用于驱动SDIO的AHB总线接口，其频率为HCLK/2=36Mhz。

F4：APB2总线接口时钟（PCLK2）：该时钟用于驱动SDIO的APB2总线

接口，其频率为PCLK2=84Mhz。

SDIO_CK计算公式：SDIO_CK=SDIOCLK/(2+CLKDIV)

其中CLKDIV为分频器设置的分频系数

复位后SDIO_D0用于数据传输。初始化后主机可以改变数据总线的宽度（通过ACMD6命令设置为1位或者是4位）。

如果一个多媒体卡接到了总线上，则SDIO_D0、SDIO_D[3:0]或SDIO_D[7:0]可以用于数据传输。

MMC版本V3.31和之前版本的协议只支持1位数据线，所以只能用SDIO_D0（为了通用性考虑，在程序里面我们只要检测到是MMC卡就设置为1位总线数据）。

（3）SDIO的命令与响应

SDIO的命令分为：应用相关命令(ACMD)和通用命令(CMD)两部分。发送ACMD时，需先发送CMD55。

SDIO所有的命令和响应都是在SDIO_CMD引脚上面传输的，命令长度固定为48位，SDIO命令格式如下表所示

其中除了命令索引和参数需要我们设置，其他都是由SDIO硬件自动控制。命令索引（如CMD0，CMD1之类）由SDIO_CMD寄存器设置，命令参数则由SDIO_ARG寄存器设置。

一般SD卡在接收到命令行后，都会有一个应答（CMD0例外），这个应答也称之为响应。STM32的SDIO接口，支持2种响应类型：短响应(48位)和长响应(136位)。

STM32 SDIO短响应（48位）格式如下表所示：

STM32 SDIO长响应（136位）格式如下表所示

不论是短响应还是长响应，硬件都会自动滤除起始位、传输位、CRC7以及结束位等信息，对于短响应，命令索引存放在SDIO_RESPCMD寄存器，参数则存放在SDIO_RESP1寄存器里面。对于长响应，则仅留CID/CSD位域，存放在SDIO_RESP1~SDIO_RESP4等4个寄存器。

SD卡总共有6类响应（R1、R1b、R2、R3、R6、R7）：

R1（正常响应命令）

代码长度 = 48 位。45:40 位用于指示待响应命令的索引，该值被解释为二进制编码的数字 （介于 0 和 63 之间）。卡的状态采用 32 位进行编码。

R1b

同 R1，并且有一个可选的繁忙信号在数据线上传输。根据卡在接收命令之前所处的状态， SD卡在接收到这些命令之后可能会变为繁忙状态。

R2（CID 和 CSD 寄存器）

代码长度 = 136 位。发送 CID 寄存器的内容以响应 CMD2 和 CMD10 命令。发送 CSD 寄存 器的内容以响应 CMD9。仅传输 CID 和 CSD 的位 [127…1]，这些寄存器的保留位 [0] 将被替 换为响应的结束位。卡通过将MCDAT 保持低电平来指示擦除正在进行中。实际擦除时间可 能很长，主机可以发出 CMD7 来取消选择卡

R3（OCR 寄存器）

代码长度：48 位。发送 OCR 寄存器的内容以响应 CMD1。电平编码如下所示：受限电压窗口 = 低电平，卡繁忙 = 低电平

R6

仅用于 SD I/O。存储设备对 CMD3 的正常响应。

R7

R7

响应长度为48位。是发送卡支持电压信息对CMD8的响应。位19 -16表示该卡所支持的电压范围。接受所提供电压的卡返回R7响应。在响应中，卡将同时返回电压范围和检查模式

（4）SDIO块数据传输

SDIO与SD卡通信一般以数据块的形式进行传输，SDIO(多)数据块读操作，如下图所示：

从机在收到主机相关命令后，开始发送数据块给主机，所有数据块都带CRC校验（由硬件自动处理），单个数据块读的时候，在收到1个数据块以后即可以停止了，不需要发送停止命令（CMD12）。但是多块数据读的时候，SD卡将一直发送数据给主机，直到接到主机发送的STOP命令（CMD12）。SDIO(多)数据块写操作，如下图所示：

数据块写操作同数据块读操作基本类似，只是数据块写的时候，多了一个繁忙判断，新的数据块必须在SD卡非繁忙的时候发送。这里的繁忙信号由SD卡拉低SDIO_D0，以表示繁忙，SDIO硬件自动控制，不需要软件处理。

注意： 只要发出“繁忙”信号（SDIO_D0 被拉到低电平），SDIO 便不会发送任何数据。

另外还有连续读取和连续写入操作：

（5）SDIO寄存器

①SDIO电源控制器SDIO_POWER

该寄存器只有最低2位(PWRCTRL[1:0])有效，其他都是保留位，STM32复位以后，PWRCTRL=00，处于掉电状态。使用前首先要给SDIO上电，应设置这两个位为11。

②SDIO_CLKCR时钟控制寄存器

注意：当SDIO_CK频率过快时，可能导致SD卡通信失败，此时建议降低SDIO_CK。

③SDIO参数寄存器SDIO_ARG

该寄存器用于存储命令参数。参数必须先于命令写入。

④SDIO命令寄存器SDIO_CMD

注意： 写入数据后，在三个 SDIOCLK (48 MHz) 时钟周期以及两个 PCLK2 时钟周期内无法向该寄 存器写入数据。

MMC 可以发送两种类型的响应：短响应（48 位）或长响应（136 位）。SD 卡和 SD I/O 卡则只能发送短响应，参数因响应类型而异：软件将根据发送的命令区分响应类型。CE-ATA 设备仅发送短响应。命令通道状态机我们一般都是开启的，所以位10要设置为1。

命令路径状态机 (CPSM)

— 写入命令寄存器并且将使能位置 1 后，命令传输将开始。发送了命令后，命令路径 状态机 (CPSM) 将将状态标志置 1，并且在不需要响应时进入空闲状态。如果需要 响应，则等待响应（请参见第 776 页的图 317）。收到响应时，将比较生成的 CRC 代码和内部生成代码，并且将相应的状态标志置 1。

进入等待状态后，命令计时器便开始运行。如果 CPSM 尚未变为接收状态便已达到超时，则将超时标志置 1 并且进入空闲状态。

注意： 命令超时为固定值：64 个 SDIO_CK 时钟周期。

如果在命令寄存器中将中断位置 1，则禁止计时器运行并且 CPSM 等待来自其中一个卡的中断请求。如果在命令寄存器中将挂起位置 1，则 CPSM 进入挂起状态并等待来自数据路径子单元的 CmdPend 信号。检测到 CmdPend 时，CPSM 将变为发送状态。这会使能数据计数器，用以触发停止命令传输。

注意： CPSM 保持空闲状态至少八个 SDIO_CK 周期以满足 NCC 和 NRC 时序限制。NCC 是两个主 机命令之间的最小延迟，NRC 是主机命令和卡响应之间的最小延迟。

⑤SDIO命令响应寄存器SDIO_RESPCMD

该寄存器只有低6位有效，比较简单，用于存储最后收到的命令响应中的命令索引。如果传输的命令响应不包含命令索引，则该寄存器的内容不可预知。

⑥SDIO命令响应1-4寄存器SDIO__RESPx (x=1~4)

命令响应寄存器组，总共包含4个32位寄存器组成，用于存放接收到的卡响应部分的信息。如果收到短响应，则数据存放在SDIO_RESP1寄存器里面，其他三个寄存器没有用到。而如果收到长响应，则依次存放在SDIO_RESP1~ SDIO_RESP4里面

⑦SDIO数据定时寄存器SDIO_DTIMER

该寄存器用于存储以卡总线时钟（SDIO_CK）为周期的数据超时时间，一个计数器将从SDIO_DTIMER寄存器加载数值，并在数据通道状态机(DPSM)进入Wait_R或繁忙状态时进行递减计数，当DPSM处在这些状态时，如果计数器减为0，则设置超时标志。

注意：在写入数据控制寄存器（SDIO_DCTRL）进行数据传输之前，须先写入该寄存器（SDIO_DTIMER）和数据长度寄存器（SDIO_DLEN）.

⑧SDIO数据长度寄存器SDIO_DLEN

该寄存器低25位有效，用于设置需要传输的数据字节长度。对于块数据传输，该寄存器的数值，必须是数据块长度（通过SDIO_DCTRL设置）的倍数。

例：假定数据块大小为512字节，那么SDIO_DLEN的设置，必须是512的整数倍，最大可以设置读取65535个数据块

⑨SDIO数据控制寄存器SDIO_DCTRL

该寄存器用于控制数据通道状态机(DPSM)，包括数据传输使能、传输方向、传输模式、DMA使能、数据块长度等信息的设置。

⑩SDIO状态寄存器SDIO_STA

状态寄存器可以用来查询SDIO控制器的当前状态，以便处理各种事务。比如SDIO_STA的位2表示命令响应超时，说明SDIO的命令响应出了问题。则通过设置SDIO_ICR的位2则可以清除这个超时标志。

另外，SDIO的清除中断寄存器(SDIO_ICR，一个只写寄存器。以 1 写入某个位会将 SDIO_STA 状态寄存器中的对应位清零)和中断屏蔽寄存器(SDIO_MASK，通过将对应的位置 1 来确定哪一个状态标志位可以产生中断)，这两个寄存器和状态寄存器(SDIO_STA)每个位的定义都相同，只是功能各有不同，因此使用时更方便。

11）SDIO数据FIFO寄存器SDIO_FIFO

数据FIFO寄存器包括接收和发送FIFO，各由一组连续的32个地址上的32个寄存器组成，CPU可以使用FIFO读写多个操作数。如果要从SD卡读数据，就必须读SDIO_FIFO寄存器，要写数据到SD卡，则要写SDIO_FIFO寄存器。SDIO将这32个地址分为16个一组，发送接收各占一半。而每次读写的时候，最多就是读取接收FIFO或写入发送FIFO的一半大小的数据，也就是8个字（32个字节）。

注意：操作SDIO_FIFO必须是以4字节对齐的内存操作，否则可能出错。

部分CMD命令

SD卡

简介

SD卡（Secure Digital Memory Card）即：安全数码卡，它是在MMC的基础上发展而来，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛地于便携式装置上使用，例如数码相机、个人数码助理(PDA)和多媒体播放器等。

SD卡按容量分类，可以分为3类：SD卡、SDHC卡、SDXC卡，如下表所示：

SD卡由9个引脚与外部通信，支持SPI和SDIO两种模式，不同模式下，SD卡引脚功能描述如下表所示：

特点：①高容量，最大可达2TB。②高安全性。 ③高速，目前已有读取速度近100MB/S的SD卡。④体积小巧。⑤接口简单，支持SPI和SDIO两种访问模式。

注意：TF卡+卡套，组合起来也可以当SD卡用，但是很大一部分TF卡不支持SPI访问模式。所以SPI驱动SD卡的时候，尽量选择大卡(SD卡)，而不要选择TF卡。

SD卡一般有五个寄存器

SD卡初始化流程

不管什么卡（4类：SD2.0高容量卡（SDHC，最大32G），SD2.0标准容量卡（SDSC，最大2G），SD1.x卡和MMC卡），首先执行卡上电（设置SDIO_POWER[1:0]=11），上电后发送CMD0，对卡进行软复位，之后发送CMD8命令，用于区分SD卡2.0，只有2.0及以后的卡才支持CMD8命令，MMC卡和V1.x的卡不支持该命令的。CMD8命令格式如下表：

在发送CMD8的时候，通过其带的参数设置VHS位，以告诉SD卡主机的供电情况，让SD卡知道主机的供电范围。

VHS位定义如下所示

使用参数0X1AA即告诉SD卡，主机供电为2.7~3.6V之间，如果SD卡支持CMD8，且支持该电压范围，则会通过CMD8的响应（R7）将参数部分原本返回给主机，如果不支持CMD8，或者不支持这个电压范围，则不响应。

在发送CMD8后，发送ACMD41（发送ACMD41之前，要先发送CMD55），来进一步确认卡的操作电压范围，并通过HCS位来告诉SD卡，主机是不是支持高容量卡（SDHC）。

ACMD41命令格式如下

ACMD41指令响应(R3)，包含了SD卡OCR寄存器内容，其定义如下所示：

对于支持CMD8的卡，主机设置ACMD41的参数HCS=1，告诉SD卡，主机支持SDHC卡。对2.0的卡，OCR的CCS位用于表示SDHC还是SDSC；对1.x的卡，则忽略该位；对MMC卡，则不支持ACMD41，MMC卡只需要发送：CMD0和CMD1即可完成初始化。

CMD2用于获取CID寄存器数据，CID寄存器各位定义如下

SD卡在收到CMD2后，将返回R2长响应（136位），其中包含128位有效数据（CID寄存器内容），存放在SDIO_RESP1~4等4个寄存器里面。通过读取这四个寄存器，就可以获得SD卡的CID信息。

CMD3，用于设置卡相对地址（RCA，必须为非0），对于SD卡（非MMC卡），在收到CMD3后，将返回一个新的RCA给主机，方便主机寻址。RCA的存在允许一个SDIO接口挂多个SD卡，通过RCA来区分主机要操作的是哪个卡。对于MMC卡，则不是由SD卡自动返回RCA，而是主机主动设置MMC卡的RCA，即通过CMD3带参数（高16位用于RCA设置），实现RCA设置。同样MMC卡也支持一个SDIO接口挂多个MMC卡，不同于SD卡的是所有的RCA都是由主机主动设置的，而SD卡的RCA则是SD卡发给主机的。

在获得卡RCA之后，我们便可以发送CMD9（带RCA参数），获得SD卡的CSD寄存器内容，从CSD寄存器，我们可以得到SD卡的容量和扇区大小等十分重要的信息。最后通过CMD7命令，选中要操作的SD卡即可开始对SD卡的读写操作。

SD卡读数据

SD卡单块数据读取流程

（1）发送CMD16指令，设置数据块大小（2）等待CMD16响应（R1）

（3）等待响应后，发送CMD17指令，开始读数据块（4）等待CMD17响应（R1）（5）读一个数据块的数据，完成单块读取

注意：CMD16设置的数据块大小一般为512字节，此设置直接决定SD卡的块大小，SD卡默认的块大小失效。

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）读第一个数据块的数据（6）读第二个数据块的数据……读取第N个数据块的数据（7）（不读时）发送CMD12指令,结束数据块读取（8）等待CMD12响应(R1)（9）结束多块数据块读取

CMD指令（补充上文中部分）

CMD16（对SDHC不起作用）

CMD17

CMD18

CMD12

CMD13

CMD24

CMD23

发送ACMD之前，必须先发送CMD55，通知SD卡，接下来要发送的是应用命令（APP CMD），而非标准命令

CMD55

CMD25

SD卡写数据流程

（1）发送CMD16指令设置数据块大小，等待响应（2）发送CMD13指令查询卡状态，等待响应（3）等待READY_FOR_DATA位=1（4）发送CMD24指令开始写入数据（5）写一个数据块的数据，完成单块写入（省略了部分响应步骤）

SD卡多块数据块写入流程

（1）发送CMD16指令，设置数据块大小；（2）发送ACMD23指令（该指令仅对SD卡有效。另外，在ACMD指令发送之前，需先发送CMD55），预测出数据块（3）发送CMD25指令，开始写数据块（4）写入第一个数据块的数据（5）写入第二个数据块的数据……写入第n个数据块的数据（6）（不写时）发送CMD12指令，结束数据块写入；（7）发送CMD13指令，查询卡状态（8）等待SD卡写入过程结束（9）完成写入

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