12.1實驗內(nèi)容

通過本實驗主要學習以下內(nèi)容：

• SDIO操作原理

• SD卡讀寫實現(xiàn)

12.2實驗原理

SD卡是一種主要以Nand Flash作為存儲介質，具有體積小、數(shù)據(jù)傳輸速度快以及支持熱插拔的優(yōu)點。如今，已被廣泛應用于數(shù)碼相機、便攜式移動設備以及手機等多種設備中。SD卡的驅動一般有SPI接口或SDIO接口，本例程介紹使用GD32F4xx的SDIO接口驅動SD卡的實現(xiàn)。

12.2.1SD卡基礎知識

SD卡:secure digital memory card是一種安全存儲器件。屬性是快閃存儲器（flash eeprom），功能用來存儲數(shù)據(jù)。

SD卡雖然是薄薄的一片，但是它并不是一個整體，而是由大量的集成電路組成。SD卡的內(nèi)部結構如下圖所示，主要由信號端子，接口控制器和存儲區(qū)組成。

SD卡主要有兩種模式，SD模式和SPI模式。不同模式下，接口定義不同。下面是SD卡的引腳。

兩種模式的接口定義如下

SD模式中，主要由VCC(電源)，VSS(GND)，CLK（時鐘，由主控提供)，CMD(命令)，DAT0-3(數(shù)據(jù)輸入輸出)，由6線制組成進行通信。SPI模式，主要采用4線制通信，除了電源地外，由MISO，MOSI，CLK，CS組成。下面簡單介紹SD模式的操作。

要驅動SD卡工作，主要涉及兩個步驟。第一個步驟是SD卡的識別過程。第二個步驟是對SD卡進行讀寫過程，即主機控制器和SD卡之間進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。
要使SD卡能正常工作，一是要給SD卡供給穩(wěn)定的電壓，二是要SD卡按用戶規(guī)定的方式工作。這兩項工作的實現(xiàn)，都是主機控制器通過給SD卡發(fā)送控制命令來實現(xiàn)的。
主機（SDIO控制器）要驅動SD卡工作，要使用許多的命令，包括應用層命令ACMD和 通用命令CMD.主機（SDIO控制器）把命令發(fā)送給SD卡，SD卡會作出回應，這里的回應叫做響應，響應命令分為6類，分別是R1、R1b、R2、R3、R6、R7。主機（SDIO控制器）給SD卡發(fā)送命令之后，SD卡會作出響應，響應中包含主機（SDIO控制器）需要的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)有SD的信息，容量，和存儲數(shù)據(jù)等等。上面已經(jīng)提到了，SD卡工作，主要是識別和數(shù)據(jù)傳輸，它的識別過程有些復雜，寫代碼的時候，可以參考協(xié)議給的初始化流程圖。數(shù)據(jù)傳輸包括讀和寫，單字節(jié)和多字節(jié)讀寫。下兩節(jié)描述識別初始化流程圖和數(shù)據(jù)讀寫時序圖。

1、讀寫數(shù)據(jù)的時序圖

SDIO與SD卡通信一般以數(shù)據(jù)塊的形式進行傳輸，SDIO(多)數(shù)據(jù)塊讀操作，如下圖所示。

SDIO(多)數(shù)據(jù)塊寫操作，如下圖所示。

2、命令格式
SDIO所有的命令和響應都是在SDIO_CMD引腳上面?zhèn)鬏數(shù)?，命令長度固定為48位，SDIO命令格式如下表所示。

3、寄存器
SDIO控制器的寄存器，主要設置SDIO控制器和命令的索引與參數(shù)。SD卡有5個寄存器CID,RCA,CSD,SCR.OCR。SD卡的信息從SD卡寄存器中獲取。

SD卡正常工作，就是根據(jù)SD卡初始化流程圖，發(fā)送命令，收到回復，直到流程結束。傳輸數(shù)據(jù)，也是根據(jù)讀寫時序圖，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)放進命令中發(fā)送出去。

12.2.2SDIO模塊原理

SDIO為安全的數(shù)字輸入輸出接口，可以用于驅動SD卡、EMMC等，主要特征如下：

? e*MMC： 與多媒體卡系統(tǒng)規(guī)格書V4.2及之前的版本全兼容。有三種不同的數(shù)據(jù)總線模式：1位(默認)、4位和8位；
? SD卡： 與SD存儲卡規(guī)格版本3.0全兼容；
? SD I/O： 與SD I/O卡規(guī)格版本3.0全兼容，有兩種不同的數(shù)據(jù)總線模式：1位(默認)和4位（包括SDR和DDR）；
? 104MHz數(shù)據(jù)傳輸頻率和8位數(shù)據(jù)傳輸模式；
?中斷和DMA請求；
?數(shù)據(jù)傳輸支持DDR模式。

SDIO模塊結構框圖如下所示。主要包括以下三個部分：SDIO適配器：由控制單元、命令單元和數(shù)據(jù)單元組成，控制單元管理時鐘信號，命令單元管理命令的傳輸，數(shù)據(jù)單元管理數(shù)據(jù)的傳輸；AHB接口：包括通過AHB總線訪問的寄存器、用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腇IFO單元以及產(chǎn)生中斷和DMA請求信號； 內(nèi)部DMA（IDMA）以及AHB主機接口 。

SDIO模塊可以實現(xiàn)對SD卡的完全驅動以及協(xié)議的實現(xiàn)，包括命令、響應等相關操作，本例程實現(xiàn)使用SDIO驅動SD卡初始化以及讀寫測試等相關操作，具體實現(xiàn)可以參考GD32H7用戶手冊以及代碼解析等。

12.3硬件設計

SD卡相關硬件電路如下圖所示，實驗板上具有SD卡卡座，信號線上有四根數(shù)據(jù)線，一根CMD命令線以及一根CLK時鐘線，所有信號線通過10K電阻進行上拉，電源地信號線具有10uf以及100nf電容，SD卡插入時，金屬接觸點朝下插入。

12.4代碼解析

12.4.1SDIO初始化配置函數(shù)

SDIO初始化配置在sd_io_init（）函數(shù)中，其中包括sd_init()初始化、sd_card_information_get（）SD卡信息獲取、sd_card_select_deselect（）SD卡選擇、sd_cardstatus_get（）SD卡狀態(tài)獲取、sd_bus_mode_config（）SD卡總線寬度配置以及sd_transfer_mode_config（）SD卡通信模式配置，歷程中選擇了4線查詢模式。

C sd_error_enum sd_io_init(void) { sd_error_enum status = SD_OK; uint32_t cardstate = 0; status = sd_init(); if(SD_OK == status) { status = sd_card_information_get(&sd_cardinfo); } if(SD_OK == status) { status = sd_card_select_deselect(sd_cardinfo.card_rca); } status = sd_cardstatus_get(&cardstate); if(cardstate & 0x02000000) { printf_log('rn the card is locked!'); status = sd_lock_unlock(SD_UNLOCK); if(status != SD_OK) { return SD_LOCK_UNLOCK_FAILED; } else { printf_log('rn the card is unlocked successfully!'); } } if((SD_OK == status) && (!(cardstate & 0x02000000))) { /* set bus mode */ #if (SDIO_BUSMODE == BUSMODE_4BIT) status = sd_bus_mode_config(SDIO_BUSMODE_4BIT, SDIO_SPEEDMODE); #else status = sd_bus_mode_config(SDIO_BUSMODE_1BIT, SDIO_SPEEDMODE); #endif } #ifdef USE_18V_SWITCH if(SD_OK == status) { /* UHS-I Hosts can perform sampling point tuning using tuning command */ status = sd_tuning(); } #endif /* USE_18V_SWITCH */ if(SD_OK == status) { /* set data transfer mode */ /* if use 1.8V high speed mode, please select the DMA mode */ status = sd_transfer_mode_config(SDIO_DTMODE); } return status; }

12.4.2獲取SD卡信息函數(shù)

獲取SD卡信息的函數(shù)如下所示，card_info_get（）。

C void card_info_get(void) { uint8_t sd_spec, sd_spec3, sd_spec4, sd_security; uint32_t block_count, block_size; uint16_t temp_ccc; printf_log('rn Card information:'); sd_spec = (sd_scr[1] & 0x0F000000) >> 24; sd_spec3 = (sd_scr[1] & 0x00008000) >> 15; sd_spec4 = (sd_scr[1] & 0x00000400) >> 10; if(2 == sd_spec) { if(1 == sd_spec3) { if(1 == sd_spec4) { printf_log('rn## Card version 4.xx ##'); } else { printf_log('rn## Card version 3.0x ##'); } } else { printf_log('rn## Card version 2.00 ##'); } } else if(1 == sd_spec) { printf_log('rn## Card version 1.10 ##'); } else if(0 == sd_spec) { printf_log('rn## Card version 1.0x ##'); } sd_security = (sd_scr[1] & 0x00700000) >> 20; if(2 == sd_security) { printf_log('rn## security v1.01 ##'); } else if(3 == sd_security) { printf_log('rn## security v2.00 ##'); } else if(4 == sd_security) { printf_log('rn## security v3.00 ##'); } block_count = (sd_cardinfo.card_csd.c_size + 1) * 1024; block_size = 512; printf_log('rn## Device size is %dKB ##', sd_card_capacity_get()); printf_log('rn## Block size is %dB ##', block_size); printf_log('rn## Block count is %d ##', block_count); if(sd_cardinfo.card_csd.read_bl_partial) { printf_log('rn## Partial blocks for read allowed ##'); } if(sd_cardinfo.card_csd.write_bl_partial) { printf_log('rn## Partial blocks for write allowed ##'); } temp_ccc = sd_cardinfo.card_csd.ccc; printf_log('rn## CardCommandClasses is: %x ##', temp_ccc); if((SD_CCC_BLOCK_READ & temp_ccc) && (SD_CCC_BLOCK_WRITE & temp_ccc)) { printf_log('rn## Block operation supported ##'); } if(SD_CCC_ERASE & temp_ccc) { printf_log('rn## Erase supported ##'); } if(SD_CCC_WRITE_PROTECTION & temp_ccc) { printf_log('rn## Write protection supported ##'); } if(SD_CCC_LOCK_CARD & temp_ccc) { printf_log('rn## Lock unlock supported ##'); } if(SD_CCC_APPLICATION_SPECIFIC & temp_ccc) { printf_log('rn## Application specific supported ##'); } if(SD_CCC_IO_MODE & temp_ccc) { printf_log('rn## I/O mode supported ##'); } if(SD_CCC_SWITCH & temp_ccc) { printf_log('rn## Switch function supported ##'); } }

12.4.3SD卡數(shù)據(jù)塊寫入函數(shù)

SD卡數(shù)據(jù)塊寫入函數(shù)如下所示，通過該函數(shù)可實現(xiàn)SD卡數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)寫入。

C sd_error_enum sd_block_write(uint32_t *pwritebuffer, uint32_t writeaddr, uint16_t blocksize) { /* initialize the variables */ sd_error_enum status = SD_OK; uint8_t cardstate = 0U; uint32_t count = 0U, align = 0U, datablksize = SDIO_DATABLOCKSIZE_1BYTE, *ptempbuff = pwritebuffer; uint32_t transbytes = 0U, restwords = 0U, response = 0U; __IO uint32_t timeout = 0U; if(NULL == pwritebuffer) { status = SD_PARAMETER_INVALID; return status; } transerror = SD_OK; transend = 0U; totalnumber_bytes = 0U; /* clear all DSM configuration */ sdio_data_config(SDIO, 0U, 0U, SDIO_DATABLOCKSIZE_1BYTE); sdio_data_transfer_config(SDIO, SDIO_TRANSMODE_BLOCKCOUNT, SDIO_TRANSDIRECTION_TOCARD); sdio_dsm_disable(SDIO); sdio_idma_disable(SDIO); /* check whether the card is locked */ if(sdio_response_get(SDIO, SDIO_RESPONSE0) & SD_CARDSTATE_LOCKED) { status = SD_LOCK_UNLOCK_FAILED; return status; } /* blocksize is fixed in 512B for SDHC card */ if(SDIO_HIGH_CAPACITY_SD_CARD != cardtype) { writeaddr *= 512U; } else { blocksize = 512U; } align = blocksize & (blocksize - 1U); if((blocksize > 0U) && (blocksize <= 2048U) && (0U == align)) { datablksize = sd_datablocksize_get(blocksize); /* send CMD16(SET_BLOCKLEN) to set the block length */ sdio_command_response_config(SDIO, SD_CMD_SET_BLOCKLEN, (uint32_t)blocksize, SDIO_RESPONSETYPE_SHORT); sdio_wait_type_set(SDIO, SDIO_WAITTYPE_NO); sdio_csm_enable(SDIO); /* check if some error occurs */ status = r1_error_check(SD_CMD_SET_BLOCKLEN); if(SD_OK != status) { return status; } } else { status = SD_PARAMETER_INVALID; return status; } /* send CMD13(SEND_STATUS), addressed card sends its status registers */ sdio_command_response_config(SDIO, SD_CMD_SEND_STATUS, (uint32_t)sd_rca << SD_RCA_SHIFT, SDIO_RESPONSETYPE_SHORT); sdio_wait_type_set(SDIO, SDIO_WAITTYPE_NO); sdio_csm_enable(SDIO); /* check if some error occurs */ status = r1_error_check(SD_CMD_SEND_STATUS); if(SD_OK != status) { return status; } response = sdio_response_get(SDIO, SDIO_RESPONSE0); timeout = 100000U; while((0U == (response & SD_R1_READY_FOR_DATA)) && (timeout > 0U)) { /* continue to send CMD13 to polling the state of card until buffer empty or timeout */ --timeout; /* send CMD13(SEND_STATUS), addressed card sends its status registers */ sdio_command_response_config(SDIO, SD_CMD_SEND_STATUS, (uint32_t)sd_rca << SD_RCA_SHIFT, SDIO_RESPONSETYPE_SHORT); sdio_wait_type_set(SDIO, SDIO_WAITTYPE_NO); sdio_csm_enable(SDIO); /* check if some error occurs */ status = r1_error_check(SD_CMD_SEND_STATUS); if(SD_OK != status) { return status; } response = sdio_response_get(SDIO, SDIO_RESPONSE0); } if(0U == timeout) { return SD_ERROR; } stopcondition = 0U; totalnumber_bytes = blocksize; /* configure the SDIO data transmisson */ sdio_data_config(SDIO, SD_DATATIMEOUT, totalnumber_bytes, datablksize); sdio_data_transfer_config(SDIO, SDIO_TRANSMODE_BLOCKCOUNT, SDIO_TRANSDIRECTION_TOCARD); sdio_trans_start_enable(SDIO); if(SD_POLLING_MODE == transmode) { /* send CMD24(WRITE_BLOCK) to write a block */ sdio_command_response_config(SDIO, SD_CMD_WRITE_BLOCK, writeaddr, SDIO_RESPONSETYPE_SHORT); sdio_wait_type_set(SDIO, SDIO_WAITTYPE_NO); sdio_csm_enable(SDIO); /* check if some error occurs */ status = r1_error_check(SD_CMD_WRITE_BLOCK); if(SD_OK != status) { return status; } /* polling mode */ while(!sdio_flag_get(SDIO, SDIO_FLAG_DTCRCERR | SDIO_FLAG_DTTMOUT | SDIO_FLAG_TXURE | SDIO_FLAG_DTBLKEND | SDIO_FLAG_DTEND)) { if(RESET != sdio_flag_get(SDIO, SDIO_FLAG_TFH)) { /* at least 8 words can be written into the FIFO */ if((totalnumber_bytes - transbytes) < SD_FIFOHALF_BYTES) { restwords = (totalnumber_bytes - transbytes) / 4U + (((totalnumber_bytes - transbytes) % 4U == 0U) ? 0U : 1U); for(count = 0U; count < restwords; count++) { sdio_data_write(SDIO, *ptempbuff); ++ptempbuff; transbytes += 4U; } } else { for(count = 0U; count < SD_FIFOHALF_WORDS; count++) { sdio_data_write(SDIO, *(ptempbuff + count)); } /* 8 words(32 bytes) has been transferred */ ptempbuff += SD_FIFOHALF_WORDS; transbytes += SD_FIFOHALF_BYTES; } } } sdio_trans_start_disable(SDIO); /* whether some error occurs and return it */ if(RESET != sdio_flag_get(SDIO, SDIO_FLAG_DTCRCERR)) { status = SD_DATA_CRC_ERROR; sdio_flag_clear(SDIO, SDIO_FLAG_DTCRCERR); return status; } else if(RESET != sdio_flag_get(SDIO, SDIO_FLAG_DTTMOUT)) { status = SD_DATA_TIMEOUT; sdio_flag_clear(SDIO, SDIO_FLAG_DTTMOUT); return status; } else if(RESET != sdio_flag_get(SDIO, SDIO_FLAG_TXURE)) { status = SD_TX_UNDERRUN_ERROR; sdio_flag_clear(SDIO, SDIO_FLAG_TXURE); return status; } else { /* if else end */ } } else if(SD_DMA_MODE == transmode) { /* DMA mode */ /* enable the SDIO corresponding interrupts and DMA */ sdio_interrupt_enable(SDIO, SDIO_INT_DTCRCERR | SDIO_INT_DTTMOUT | SDIO_INT_TXURE | SDIO_INT_DTEND); dma_config(pwritebuffer, (uint32_t)(blocksize >> 5)); sdio_idma_enable(SDIO); /* send CMD24(WRITE_BLOCK) to write a block */ sdio_command_response_config(SDIO, SD_CMD_WRITE_BLOCK, writeaddr, SDIO_RESPONSETYPE_SHORT); sdio_wait_type_set(SDIO, SDIO_WAITTYPE_NO); sdio_csm_enable(SDIO); /* check if some error occurs */ status = r1_error_check(SD_CMD_WRITE_BLOCK); if(SD_OK != status) { return status; } while((0U == transend) && (SD_OK == transerror)) { } if(SD_OK != transerror) { return transerror; } } else { status = SD_PARAMETER_INVALID; return status; } /* clear the DATA_FLAGS flags */ sdio_flag_clear(SDIO, SDIO_MASK_DATA_FLAGS); /* get the card state and wait the card is out of programming and receiving state */ status = sd_card_state_get(&cardstate); while((SD_OK == status) && ((SD_CARDSTATE_PROGRAMMING == cardstate) || (SD_CARDSTATE_RECEIVING == cardstate))) { status = sd_card_state_get(&cardstate); } return status; }