SDIO（Secure Digital Input and Output）中文名稱：安全數字輸入輸出，SDIO在SD標準上定義了一種外設接口。SDIO主要有兩類應用——可移動和不可移動。可移動設備作為Palm和Windows Mobile的擴展設備，用來增加藍牙、照相機、GPS和802.11b功能。不可移動設備遵循相同的電氣標準，但不要求符合物理標準。某些手機內包含通過SDIO連接CPU的802.11芯片。此舉將“珍貴”的I/ O管腳資源用于更重要的功能。

藍牙、照相機、GPS和802.11b設備有專為它們定義的應用規范。這些應用規范與為PCI和USB設備定義的類規范很相像。它們允許任何宿主設備與任意外設“通話”，只要它們都支持應用規范。

SDIO和SD卡規范間的一個重要區別是增加了低速標準。SDIO卡只需要SPI和1位SD傳輸模式。低速卡的目標應用是以最小的硬件開支支持低速I/ O能力。低速卡支持類似調制解調器、條碼掃描儀和GPS接受器等應用。對“組合”卡(存儲器+ SDIO)而言，全速和4位操作對卡內存儲器和SDIO部分都是強制要求的。

MM32F3270系列控制器支持SDIO接口，本文在接下來會對MM32F3270的SDIO進行介紹，并通過實驗演示SDIO驅動SD卡。

01 、SDIO 簡介

SD/MMC/SDIO 控制器是 AMBA AHB 從外設，用于控制外部 SD/MMC/SDIO 卡，并支持 DSP/MCU的讀/寫訪問。它作為主機與連接的 SD/MMC/SDIO 卡進行通信。所述控制器是基于 AMBA HCLK 域的完全同步設計。

1.1、SDIO 功能框圖

圖1 SDIO功能框圖

1) AHB 從模式接口：為 32 位 AHB 總線提供接口。

2) FIFO 控制：產生握手信號到 DMA 硬件接口，并控制對外部數據 FIFO（128x32）的讀/寫訪問。

3) 總線接口單元：包括控制寄存器和命令緩沖單元。

4) 多重塊控制：控制多塊數據的讀寫。

5) 時鐘控制：通用時鐘基于寄存器中定義的分頻值。

6) 命令通路：從總線接口單元或 irq 響應中加載新的命令，然后發送命令，并接收響應 crc7 檢查和 8 個空時鐘。

7) 數據通路：發送和接收數據，用 crc16 檢查。

8) 緩沖接口：控制對數據 FIFO 的讀寫控制信號。

1.2、SDIO 功能描述

1) 完全兼容 SD 記憶卡規格 1.0

2) 完全兼容 SD 存儲卡規格 1.1（高速）

3) 完全兼容 SD 記憶卡規格 2.0（SDHC）

4) 完全兼容 MMC 系統規格 2.0～4.2

5) 完全兼容 SDIO 存儲卡規格 1.1.0

6) 標準的 MMC 模式接口支持

7) 可編程時鐘速率

8) 自動命令/響應 CRC 生成/檢查

9) 自動數據 CRC 生成/檢查

10) 可編程超時檢測

11) AMBA 2.0 32 位 AHB 接口

12) 用于 AHB 數據訪問的總共外部 128*32 數據 FIFO

13) 32 位 DMA 硬件接口，用于更快的 DMA 訪問

14) DMA 接口可以配置為啟用/禁用

15) DMA 請求是可配置的

16) 組合中斷輸出

02 、SD 存儲卡

2.1、Read-Write 屬性

根據 Read-Write 屬性不同可分為兩種類型的 SD 存儲卡：

1) 可讀可寫（RW）卡（FLASH， OTP， MTP）。這些卡通常作為空白媒介來售賣，用于海量終端用戶的視頻、音頻或數字圖像記錄的存儲。

2) 只讀存儲卡（ROM）。這些卡是用固定的數據內容生產出來的，它們通常用作軟件、音頻、視頻等的傳播媒介。

2.2、電源電壓

根據工作電源電壓不同可分為兩種類型的 SD 存儲卡：

1) 高電壓 SD 存儲卡，可以在 2.7-3.6V 的電壓范圍內工作；

2) 雙電壓 SD 存儲卡，可以在 1.6-3.6V 的電壓范圍內工作。

2.3、卡容量

根據卡容量不同可分為兩種類型的 SD 存儲卡：

1) 標準容量的 SD 存儲卡支持最大 2G 字節的容量。所有版本的物理規格都定義了標準容量 SD 存儲卡；

2) 高容量 SD 存儲卡支持超過 2G 字節的容量，此版本規范限制容量高達 32GB。高容量 SD 存儲卡是物理層規范版本 2.00 中新定義的。

2.4、傳輸速度

定義了四種速度等級，表示 SD 卡的最低性能：

1) Class0：這類卡不指定性能；
2) Class2：速度不低于 2MB/s；
3) Class4：速度不低于 4MB/s；
4) Class6：速度不低于 6MB/s；

大容量 SD 存儲卡應支持速度等級規范，性能大于或等于 2 級。

2.5、總線拓撲

SD 卡系統定義了兩種通信協議：SD 和 SPI。主機系統可以選擇任意一種。當收到 reset 命令的時候， SD 卡通過主機的信息來決定使用何種模式，并且之后的通訊都會使用相同模式。不推薦多卡槽用共同的總線信號。一個單獨的 SD 總線應該連接一個單獨的 SD 卡。SD 總線包含下面的信號：

1) CLK：時鐘信號；
2) CMD：雙向命令/響應信號；
3) DAT0-DAT3：雙向數據信號；
4) Vdd， Vss1， Vss2：電源和地信號。

2.6、總線協議

SD 總線通信：

1) Command：命令是一次操作開始的令牌，從主機發送到一個卡片（編址命令）或者連接到主機的所有卡片（廣播命令）。命令在 CMD 線上連續傳輸。

2) Response：響應是從已尋址的卡或從所有連接上的卡發送到主機的令牌，作為對先前接收到指令的應答。響應在 CMD 線上連續傳輸。

3) Data：數據可以通過 DATA 線雙向傳輸。

卡片尋址通過使用會話地址來實現，會話地址會在初始化階段分配給卡。SD 總線上的基本交互是命令/響應交互。這種總線交互直接在命令或者響應的結構里面傳輸他們的信息。此外，某些操作還有數據令牌。SD 卡發送或接收的數據在塊（block）中完成。數據塊以 CRC 位來保證傳輸成功。目前有單塊和多塊操作。

注：多塊操作模式在快速寫操作時更好一點。多塊傳輸在 CMD 線上產生 stop 命令時結束。主機端可以配置數據傳輸是單線還是多線。

SDIO“無響應”和“無數據”操作
SDIO（多）數據塊讀操作
SDIO連續讀操作
SDIO連續寫操作

03、卡的初始化以及識別過程

初始化進程以命令 ACMD41 作為開始，通過設置工作條件和 OCR 來進行。HCS（HighCapacitySupport）位為 1 表示主機支持高容量 SD 卡。卡通過 OCR 的 busy 位來通知主機 ACMD41 的初始化完成了。busy 位為 0表示卡仍然在初始化；為 1 表示已經完成初始化。主機會重復發送 ACMD41，直到 busy 位被置 1。卡片旨在第一個 ACMD41 的命令時，檢查工作條件和 OCR 里面的 HCS 位。當重復 ACMD41 的時候，除了 CMD0，主機不再發其他命令。接著主機會發送命令 ALL_SEND_CID（CMD2），來獲得卡的 CID 號。未識別的卡（處于Ready 狀態的）發送自己的 CID 作為響應。當卡發送 CID 后，進入卡識別（Identification）狀態。之后主機發送 SEND_RELATIVE_ADDR（CMD3）命令要求卡發布新的相對地址（RCA），一旦收到 RCA，卡就會變為等待（Stand-by）狀態。主機會重復識別進程，為系統中每個卡循環發送 CMD2 和 CMD3。對于 SDI/O 卡而言，總線被激活后 SDIO 卡主機先發送 IO_SEND_OP_COND（CMD5）命令，得到的響應是卡的工作條件寄存器的內容，之后再同上發送 CMD3 命令，執行后續操作。

04、MM32F3270 SDIO驅動SD卡

MM32的SDIO支持SD/MMC/SDIO卡，其中SDIO卡與SD存儲卡是有區別的。SDIO卡實際上就是利用SDIO接口的一些模塊，插入SD的插槽中，擴展設備的功能，如：SDIO wifi, SDIO CMOS相機等。SD存儲卡就是平時常見的用于存儲數據的卡。

本實驗中使用的Micro SD卡屬于SDSC(標準容量，最大2G)卡。介紹卡的種類是因為SD協議中的命令也支持這三種類型的卡，因此對MM32中的SDIO接口進行初始化后，上電后就要對接入的卡進行檢測、分類，這個過程是通過向卡發送一系列不同的命令，根據卡不同的響應來進行分類。

本實驗使用MM32F3270的SDIO對SD卡進行讀寫測試，首先填充一個塊大小的存儲器，通過寫入操作把數據寫入到 SD卡內，然后通過讀取操作讀取數據到另外的存儲器，然后再對比存儲器內容，判斷讀寫操作是否正確。

實現的大概流程包括：初始化SDIO 外設以及GPIO，配置 SDIO 基本通信環境進入卡識別模式，通過命令處理后獲取卡信息及狀態。如果是SD卡正常則進行數據傳輸，接下來就可以進行讀、寫以及擦除操作，否則打印SD卡錯誤信息，不再進行后續操作。

硬件設計

實驗使用MB-039開發板，主控芯片為MM32F3277G9P，如圖是MB-039開發板的SDIO/TF卡接口部分，完整原理圖可以通過官網下載。

各個信號引腳對應如下：

程序設計

根據 SD 卡識別過程和數據傳輸過程理解 SD 卡驅動函數代碼。這部分代碼內容也較多，在本文中只對部分核心函數介紹其功能，詳細代碼可到靈動官網下載參考。

SPIO配置初始化

void SDIO_ConfigInit(void)
{
    SDIO_InitTypeDef SDIO_InitStruct;

    SDIO_PIN_GPIO_Config();
    SDIO_Detect_Pin_Config();

    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBENR_SDIO, ENABLE);
    SDIO_DeInit();
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBENR_SDIO, DISABLE);
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBENR_SDIO, ENABLE);

    SDIO_ClockSet(0x2F);
    SDIO_StructInit( SDIO_InitStruct);

    SDIO_InitStruct.SDIO_OPMSel = SDIO_MMC_CTRL_OPMSel;
    SDIO_InitStruct.SDIO_SelPTSM = SDIO_MMC_CTRL_SelSM;
    SDIO_InitStruct.SDIO_DATWT = SDIO_MMC_CTRL_DATWT;
    SDIO_Init( SDIO_InitStruct);

    SDIO_CRCConfig(SDIO_MMC_CRCCTL_CMD_CRCEN | SDIO_MMC_CRCCTL_DAT_CRCEN, ENABLE);
}
void show_sdcard_info(void)
{
    switch(SDCardInfo.CardType) {
        case SDIO_STD_CAPACITY_SD_CARD_V1_1:
            printf("Card Type:SDSC V1.1rn");
            break;
        case SDIO_STD_CAPACITY_SD_CARD_V2_0:
            printf("Card Type:SDSC V2.0rn");
            break;
        case SDIO_HIGH_CAPACITY_SD_CARD:
            printf("Card Type:SDHC V2.0rn");
            break;
        case SDIO_MULTIMEDIA_CARD:
            printf("Card Type:MMC Cardrn");
            break;
    }
    printf("Card ManufacturerID:%drn", SDCardInfo.SD_cid.ManufacturerID); //The manufacturer ID
    printf("Card RCA:%drn", SDCardInfo.RCA);                          //Card relative address
    printf("Card Capacity:%d MBrn", (u32)(SDCardInfo.CardCapacity >> 20));
    printf("Card BlockSize:%drnrn", SDCardInfo.CardBlockSize);
}

SD卡的初始化主要進行卡識別和卡狀態獲取，定義SD_Init()如下：

SD_Error SD_Init(void)
{
    u32 clk;
    RCC_ClocksTypeDef bclk;
    u32 targetFreq;
    __IO SD_Error errorstatus = SD_OK;
    u8 clkdiv = 0;
    INTX_DISABLE();


    errorstatus = SD_PowerON();                 //SD Power On
    if (errorstatus != SD_OK) {
        return errorstatus;
    }
    errorstatus = SD_InitializeCards();         //Initialize SD Card
    if (errorstatus != SD_OK) {
        return errorstatus;
    }
    errorstatus = SD_GetCardInfo( SDCardInfo);  //Get card information
    if (errorstatus != SD_OK) {
        return errorstatus;
    }
    errorstatus = SD_SelectDeselect((u32)(SDCardInfo.RCA << 16)); //Select the SD card
    if (errorstatus != SD_OK) {
        return errorstatus;
    }
    errorstatus = SD_EnableWideBusOperation(1); //4 bit width, if it is an MMC card, you cannot use 4 bit mode
    if ((errorstatus != SD_OK)) {
        if( (SDIO_MULTIMEDIA_CARD == CardType)) {
            if (SDCardInfo.CardType == SDIO_STD_CAPACITY_SD_CARD_V1_1 || SDCardInfo.CardType == SDIO_STD_CAPACITY_SD_CARD_V2_0) {
                clkdiv = 0; //V1.1/V2.0 card with the maximum setting of 48/4=12Mhz
            }
            else {
                clkdiv = 1; //For other cards such as SDHC, the maximum setting is 48/2=24Mhz
            }
            if(clkdiv != 0) {
                targetFreq = 24000000;

            }
            else {
                targetFreq = 12000000;
            }
            RCC_GetClocksFreq( bclk);
            clk = (bclk.HCLK_Frequency / 2 / 2 / targetFreq - 1);
            SDIO_ClockSet(clk);

        }
        else {
            __NOP();
        }
    }
    else {
        if (SDCardInfo.CardType == SDIO_STD_CAPACITY_SD_CARD_V1_1 || SDCardInfo.CardType == SDIO_STD_CAPACITY_SD_CARD_V2_0) {
            clkdiv = 0;
        }
        else {
            clkdiv = 1;
        }
        if(clkdiv != 0) {
            targetFreq = 24000000;

        }
        else {
            targetFreq = 12000000;
        }
        RCC_GetClocksFreq( bclk);
        clk = (bclk.HCLK_Frequency / 2 / 2 / targetFreq - 1);
        SDIO_ClockSet(clk);

    }
    INTX_ENABLE();
    return errorstatus;
}

1) SD_PowerON()函數用于查詢卡的工作電壓和時鐘控制配置，并返回 SD_Error 類型錯誤，該函數是整個 SD 識別的關鍵函數。

2) SD_InitializeCards()函數初始化SD卡，并將其置入就緒狀態；

3) SD_GetCardInfo()函數獲取SD卡的信息；

4) SD_SelectDeselect()選擇SD卡，發送CMD7命令，選擇具有相對地址(RCA)的卡作為ADDR；

5) SD_EnableWideBusOperation()配置SDIO數據寬度；

6) SDIO_ClockSet()配置SDIO的時鐘頻率。

獲取SD卡信息及數據的函數定義如下：

void read_sd_card_info(void)
{
    u16 i = 5;
    SD_Error result;
    u32 sd_size;

    SDIO_ConfigInit();
    printf("SDCARD TESTrn");
    while(1) {

        result = SD_Init();

        if(result == SD_OK) {
            break;
        }
        printf("SD Card Error!rn");

        DELAY_Ms(1);
    }
    show_sdcard_info();
    i = 5;
    while(i--) {
        if(SD_ReadDisk( vbuf[0], 0, 1) == 0) { 
            printf("UART Sending Data...rn");
            printf("SECTOR 0 DATA:rn"); 
            for(sd_size = 0; sd_size < 512; sd_size++) {
                printf("%02x ", vbuf[sd_size]);  
            }
            printf("rnDATA ENDEDrn");
            printf("UART Send Data Over!rn");
        }
        DELAY_Ms(50);
    }
}

實驗演示

在MB-039開發板的SDIO/TF卡槽插入SD卡，運行程序，串口調試助手顯示如下：

如果SD卡可用，串口調試助手會打印SD卡的信息，包括卡類型、生產ID、RCA、容量和塊大小，接著打印扇區0的數據，會連續打印5次該部分內容。

本次實驗的例程可以通過MindMotion的官網下載MM32F3270 lib_Samples：

工程路徑如下：

~MM32F327x_Samples LibSamplesSDIOSDIO_ReadSDCardInfo

可以看到詳細的樣例與功能操作。

來源：靈動MM32MCU

審核編輯：湯梓紅