MCU微課堂

CKS32F4xx系列SDIO

第二十四期 2023.10.5

很多單片機系統都需要大容量存儲設備，以存儲數據。目前常用的有U盤，FLASH芯片，SD卡等。他們各有優點，綜合比較，最適合單片機系統的莫過于SD卡了，它不僅容量可以做到很大（32GB以上），支持SPI/SDIO驅動，而且有多種體積的尺寸可供選擇（標準的SD卡尺寸，以及TF卡尺寸等），能滿足不同應用的要求。

CKS32F4xx系列的SDIO控制器支持多媒體卡（MMC卡）、SD存儲卡、SD I/O卡和CE-ATA設備等。SDIO的主要功能如下： 1. 與多媒體卡系統規格書版本4.2全兼容。支持三種不同的數據總線模式：1位(默認)、4位和8位。 2. 與較早的多媒體卡系統規格版本全兼容(向前兼容)。 3. 與SD存儲卡規格版本2.0全兼容。 4. 與SD I/O卡規格版本2.0全兼容：支持良種不同的數據總線模式：1位(默認)和4位。 5. 完全支持CE-ATA功能(與CE-ATA數字協議版本1.1全兼容)。8位總線模式下數據傳輸速率可達48MHz（分頻器旁路時）。 數據和命令輸出使能信號，用于控制外部雙向驅動器。

SDIO主要功能及框圖

CKS32F4xx系列的SDIO控制器包含2個部分：SDIO適配器模塊和APB2總線接口，其功能框圖如下：

圖1?CKS32F4xx系列SDIO控制器功能框圖

復位后默認情況下SDIO_D0用于數據傳輸。初始化后主機可以改變數據總線的寬度（通過ACMD6命令設置）。 如果一個多媒體卡接到了總線上，則SDIO_D0、SDIO_D[3:0]或SDIO_D[7:0]可以用于數據傳輸。MMC版本V3.31和之前版本的協議只支持1位數據線，所以只能用SDIO_D0（為了通用性考慮，在程序里面我們只要檢測到是MMC卡就設置為1位總線數據）。 如果一個SD或SD I/O卡接到了總線上，可以通過主機配置數據傳輸使用SDIO_D0或SDIO_D[3:0]。所有的數據線都工作在推挽模式。 SDIO_CMD有兩種操作模式： ①用于初始化時的開路模式(僅用于MMC版本V3.31或之前版本) ②用于命令傳輸的推挽模式(SD/SD I/O卡和MMC V4.2在初始化時也使用推挽驅動)

SDIO時鐘

SDIO總共有3個時鐘：

1. 卡時鐘（SDIO_CK）：每個時鐘周期在命令和數據線上傳輸1位命令或數據。對于多媒體卡V3.31協議，時鐘頻率可以在0MHz至20MHz間變化；對于多媒體卡V4.0/4.2協議，時鐘頻率可以在0MHz至48MHz間變化；對于SD或SD I/O卡，時鐘頻率可以在0MHz至25MHz間變化。

2. SDIO適配器時鐘（SDIOCLK）：該時鐘用于驅動SDIO適配器，來自PLL48CK，一般為48Mhz，并用于產生SDIO_CK時鐘。

3. APB2總線接口時鐘（PCLK2）：該時鐘用于驅動SDIO的APB2總線接口，其頻率為HCLK/2，一般為84Mhz。

我們的SD卡時鐘（SDIO_CK），根據卡的不同，可能有好幾個區間，這就涉及到時鐘頻率的設置，SDIO_CK與SDIOCLK的關系（時鐘分頻器不旁路時）為：

SDIO_CK=SDIOCLK/(2+CLKDIV)

其中，SDIOCLK為PLL48CK，一般是48Mhz，而CLKDIV則是分配系數，可以通過SDIO的SDIO_CLKCR寄存器進行設置（確保SDIO_CK不超過卡的最大操作頻率）。注意，以上公式，是時鐘分頻器不旁路時的計算公式，當時鐘分頻器旁路時，SDIO_CK直接等于 SDIOCLK。

這里要提醒大家，在SD卡剛剛初始化的時候，其時鐘頻率（SDIO_CK）是不能超過400Khz的，否則可能無法完成初始化。在初始化以后，就可以設置時鐘頻率到最大了（但不可超過SD卡的最大操作時鐘頻率）。

SDIO命令與響應

SDIO的命令分為應用相關命令（ACMD）和通用命令（CMD）兩部分，應用相關命令（ACMD）的發送，必須先發送通用命令（CMD55），然后才能發送應用相關命令（ACMD）。SDIO的所有命令和響應都是通過SDIO_CMD引腳傳輸的，任何命令的長度都是固定為48位，SDIO的命令格式如表1所示：

表1?SDIO命令格式

所有的命令都是由MCU發出，其中開始位、傳輸位、CRC7和結束位由SDIO硬件控制，我們需要設置的就只有命令索引和參數部分。其中命令索引（如CMD0，CMD1）在SDIO_CMD寄存器里面設置，命令參數則由寄存器SDIO_ARG設置。 一般情況下，選中的SD卡在接收到命令之后，都會回復一個應答（CMD0是無應答），這個應答我們稱之為響應，響應也是在CMD線上串行傳輸的。CKS32F4xx系列的SDIO控制器支持2種響應類型，即：短響應（48位）和長響應（136位），這兩種響應類型都帶CRC錯誤檢測（不帶CRC的響應應忽略CRC錯誤標志，如CMD1響應）。

表2 短響應格式

表3?長響應的格式

同樣，硬件為我們濾除了開始位、傳輸位、CRC7以及結束位等信息，對于短響應，命令索引存放在SDIO_RESPCMD寄存器，參數則存放在SDIO_RESP1寄存器里面。對于長響應，則僅留CID/CSD位域，存放在SDIO_RESP1~SDIO_RESP4等4個寄存器。SD存儲卡總共有5類響應（R1、R2、R3、R6、R7），我們這里以R1為例簡單介紹一下。R1（普通響應命令）響應輸入短響應，其長度為48位，R1響應的格式如表4所示：

表4 R1響應格式

在收到R1響應后，我們可以從SDIO_RESPCMD寄存器和SDIO_RESP1寄存器分別讀出命令索引和卡狀態信息。關于其他響應的介紹，請大家參考SD卡2.0協議。 最后，我們看看數據在SDIO控制器與SD卡之間的傳輸。對于SDI/SDIO存儲器，數據是以數據塊的形式傳輸的，而對于MMC卡，數據是以數據塊或者數據流的形式傳輸。本節我們只考慮數據塊形式的數據傳輸。

圖2 SDIO（多個）塊讀取操作

從上圖，我們可以看出，從機在收到主機相關命令后，開始發送數據塊給主機，所有數據塊都帶有CRC校驗值（CRC由SDIO硬件自動處理），單個數據塊讀的時候，在收到1個數據塊以后即可以停止了，不需要發送停止命令（CMD12）。但是多塊數據讀的時候，SD卡將一直發送數據給主機，直到接到主機發送的STOP命令（CMD12）。

圖3?SDIO（多個）塊寫入操作

數據塊寫操作同數據塊讀操作基本類似，只是數據塊寫的時候，多了一個繁忙判斷，新的數據塊必須在SD卡非繁忙的時候發送。這里的繁忙信號由SD卡拉低SDIO_D0，以表示繁忙，SDIO硬件自動控制，不需要我們軟件處理。

SD卡初始化流程

要實現SDIO驅動SD卡，最重要的步驟就是SD卡的初始化，只要SD卡初始化完成，那么剩下的讀寫操作就簡單了，所以我們這里重點介紹SD卡的初始化。從SD卡2.0協議中，我們得到SD卡初始化流程圖如圖4所示：

圖4?SD卡初始化流程

從圖中，我們看到，不管什么卡（這里我們將卡分為4類：SD2.0高容量卡（SDHC，最大32G），SD2.0標準容量卡（SDSC，最大2G），SD1.x卡和MMC卡），首先我們要執行的是卡上電（需要設置SDIO_POWER[1:0]=11），上電后發送CMD0，對卡進行軟復位，之后發送CMD8命令，用于區分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，是不支持該命令的。

在發送CMD8后，發送ACMD41（注意發送ACMD41之前要先發送CMD55），來進一步確認卡的操作電壓范圍，并通過HCS位來告訴SD卡，主機是不是支持高容量卡（SDHC）。 對于支持CMD8指令的卡，主機通過ACMD41的參數設置HCS位為1，來告訴SD卡主機支SDHC卡，如果設置為0，則表示主機不支持SDHC卡，SDHC卡如果接收到HCS為0，則永遠不會反回卡就緒狀態。對于不支持CMD8的卡，HCS位設置為0即可。

SD卡在接收到ACMD41后，返回OCR寄存器內容，如果是2.0的卡，主機可以通過判斷OCR的CCS位來判斷是SDHC還是SDSC；如果是1.x的卡，則忽略該位。OCR寄存器的最后一個位用于告訴主機SD卡是否上電完成，如果上電完成，該位將會被置 1。 對于MMC卡，則不支持ACMD41，不響應CMD55，對MMC卡，我們只需要在發送CMD0后，再發送CMD1（作用同ACMD41），檢查MMC卡的OCR寄存器，實現MMC卡的初始化。

至此，我們便實現了對SD卡的類型區分,最后發送CMD2和CMD3命令，用于獲得卡CID寄存器數據和卡相對地址（RCA）。 SD卡在收到CMD2后，將返回R2長響應（136位），其中包含128位有效數據（CID寄存器內容），存放在SDIO_RESP1~4等4個寄存器里面。通過讀取這四個寄存器，就可以獲得SD卡的CID信息。

CMD3用于設置卡相對地址（RCA，必須為非0），對于SD卡（非MMC卡），在收到CMD3后，將返回一個新的RCA給主機，方便主機尋址。RCA的存在允許一個SDIO接口掛多個SD卡，通過RCA來區分主機要操作的是哪個卡。而對于MMC卡，則不是由SD卡自動返回RCA，而是主機主動設置MMC卡的RCA，即通過CMD3帶參數（高16位用于RCA設置），實現RCA設置。同樣MMC卡也支持一個SDIO接口掛多個MMC卡，不同于SD卡的是所有的RCA都是由主機主動設置的，而SD卡的RCA則是SD卡發給主機的。

在獲得卡RCA之后，我們便可以發送CMD9（帶RCA參數），獲得SD卡的CSD寄存器內容，從CSD寄存器，我們可以得到SD卡的容量和扇區大小等十分重要的信息。CSD寄存器我們在這里就不詳細介紹了，關于CSD寄存器的詳細介紹，請大家參考SD卡2.0協議。 至此，我們的SD卡初始化基本就結束了，最后通過CMD7命令，選中我們要操作的SD卡，即可開始對SD卡的讀寫操作了。

編輯：黃飛

?