STM32个人笔记-SDIO接口

SDIO接口常用设备

SD卡的总线拓扑

总线协议

SD卡数据包格式

SD命令

SD命令类型

响应

SD卡操作模式

SD卡系统（包括主机和CD卡）定义了两种操作模式：卡识别模式和数据传输模式。

卡识别模式

数据传输模式

STM32功能框图

控制单元

命令路径

数据路径

数据FIFO

适配器寄存器

HAL库_SDIO

SDIO配置

SDIO初始化结构体

SDIO函数

SD Card（安全数字内存卡）常用于读写通信的接口有SPI、SDIO。

多媒体卡协会网站 www.mmca.org 中提供了有 MMCA 技术委员会发布的多媒体卡系统规范。
SD 卡协会网站 www.sdcard.org 中提供了 SD 存储卡和 SDIO 卡系统规范。
CE-ATA 工作组网站 www.ce-ata.org 中提供了 CE_ATA 系统规范。

SDIO接口常用设备

SD卡组成：存储单元、存储单元接口、电源检测、卡及接口控制器和接口驱动器。

SD卡寄存器名称	bit宽度	描述
CID	128	用来识别卡的个体号码（唯一）
RCA	16	相对地址，卡的本地系统地址，初始化时，动态地由卡建议，主机核准
DSR	16	驱动级寄存器，配置卡的输出驱动
CSD	128	卡的特定数据，卡的操作条件信息
SCR	64	SD配置寄存器，SD卡特殊特性信息
OCR	32	操作条件寄存器
SSR	512	SD状态，SD卡专有特征的信息
CSR	32	卡状态信息

SD卡的总线拓扑

CLK：时钟线，由SDIO主机产生，即由STM32控制器输出；

CMD：命令线，SDIO主机通过该线发送命令控制SD卡。如果命令要求SD卡提供响应，SD卡也是通过该线传输响应信息。

D0-D3：数据线，传输读写数据。D0拉低表示忙碌状态。

主机的SDIO接口对SD卡的读写都只以CLK时钟线的上身沿为有效。

SD卡操作过程会使用两种不同频率的时钟来同步数据。一个是识别卡阶段时钟频率FOD，最高为400kHz；另一个是数据传输阶段时钟频率FPP，默认最高为25MHz，如果通过相关寄存器配置使SDIO工作在高速模式，此时数据传输最高频率为50MHz。

总线协议

SD总线通信是基于命令和数据传输的。通讯开始：0；通讯结束：1。

SD总线通信一般是主机发送一个命令，从机在接收到命令后做出响应。如有需要会有数据传输参与。数据以数据块形式传输，SDHC卡数据块长度一般为 512 字节。

数据块需要CRC校验。CRC位由SD卡系统硬件自动生成。

STM32控制器可以通过控制单线或四线传输（D0~D3）。

SD卡数据包格式

常规数据包格式（8bit宽）

宽位数据包格式（针对SSR寄存器内容发送）

SD命令

SD命令由主机发出，以广播命令和寻址命令为主。

SD命令固定格式为48bit，都是通过CMD线连续传输的。

起始位和终止位：0和1。

传输标志：1表示传输命令，方向为主机传输到CD卡。0表示响应，方向为CD卡传输到主机。

命令号：固定6bit（CMD0~CMD63）。

地址信息/参数：每个命令有32bit地址信息/参数用于命令附加内容。例如，广播命令没有地址信息，这32bit用于指定参数。而寻址命令的32bit用于指定目标SD卡的地址。

CRC7校验：7bit用于验证命令传输内容正确性。如果发生外部干扰导致传输数据个别位状态改变将导致校准失败，也意味着命令传输失败，SD卡不执行命令。

SD命令类型

无响应广播命令（bc）：发送到所有卡，不返回任务响应。

带响应广播命令（bcr）：发送到所有卡，同时接收来自所有卡响应。

寻址命令（ac）：发送到选定卡，数据线无数据传输。

寻址数据传输命令（adtc）：发送到选定卡，数据线有数据传输。

SD 卡主机模块系统旨在为各种应用程序类型提供一个标准接口。在此环境中，需要有特定的客户/应用程序功能。为实现这些功能，在标准中定义了两种类型的通用命令：特定应用命
令 (ACMD) 和常规命令 (GEN_CMD)。

要使用 SD 卡制造商特定的 ACMD 命令如 ACMD6，需要在发送该命令之前无发送 CMD55 命令，告知 SD 卡接下来的命令为特定应用命令。 CMD55 命令只对紧接的第一个命令有效， SD 卡如果检测到 CMD55 之后的第一条命令为 ACMD 则执行其特定应用功能，如果检测发现不是 ACMD 命令，则执行标准命令。

响应

SDIO总共有7个响应类型（R1~R7）,其中SD卡没有R4、R5类型响应。响应也是通过CMD线连续传输。

根据响应内容大小可以分为短响应和长响应。

短响应是48bit，长响应是136bit。只有R2类型是长响应。除了R3类型之外，其他响应都使用CRC7校验（R2类型是使用CID和CSD寄存器的内部CRC7）。

SD卡操作模式

SD 卡有多个版本， STM32 控制器目前最高支持《Physical Layer Simplified Specification V2.0》定义的 SD 卡， STM32 控制器对 SD 卡进行数据读写之前需要识别卡的种类： V1.0 标准卡、 V2.0 标准卡、 V2.0 高容量卡或者不被识别卡。

SD卡系统（包括主机和CD卡）定义了两种操作模式：卡识别模式和数据传输模式。

在系统复位后，主机处于卡识别模式，寻找总线上可用的SDIO设备；同时，SD卡也处于卡识别模式。直到被主机识别到，即当SD卡接收到SEND_RCA（CMD3）命令后，SD卡就进入数据传输模式，而主机在总线上所有卡被识别后也进入数据传输模式。在每个操作模式下，SD卡都有几种状态，通过命令控制实现卡状态的切换。

操作模式	SD卡状态
无效模式	无效状态
卡识别模式	空闲状态
	准备状态
	识别状态
数据传输模式	待机状态
	传输状态
	发送数据状态
	接收数据状态
	编程状态
	断开连接状态

卡识别模式

在卡识别模式下，主机会复位所有处于“卡识别模式”的 SD 卡，确认其工作电压范围，识别 SD卡类型，并且获取 SD 卡的相对地址 (卡相对地址较短，便于寻址)。

在卡识别过程中，要求 SD 卡工作在识别时钟频率 FOD 的状态下。

主机上电后，所有卡处于空闲状态，包括当前处于无效状态的卡。主机也可以发送GO_IDLE_STATE（CMD0）让所有卡软复位从而进入空闲状态，但当前处于无效状态的卡并不会复位。

主机在开始与卡通信前，需要先确定双方在互相支持的电压范围内。 SD 卡有一个电压支持范围，主机当前电压必须在该范围才能与卡正常通信。 SEND_IF_COND(CMD8) 命令就是用于验证
卡接口操作条件的 (主要是电压支持)。卡会根据命令的参数来检测操作条件匹配性，如果卡支持主机电压就产生响应，否则不响应。而主机则根据响应内容确定卡的电压匹配性。 CMD8 是 SD
卡标准 V2.0 版本才有的新命令，所以如果主机有接收到响应，可以判断卡为 V2.0 或更高版本 SD 卡。

SD_SEND_OP_COND(ACMD41) 命令可以识别或拒绝不匹配它的电压范围的卡。 ACMD41 命令的 VDD 电压参数用于设置主机支持电压范围，卡响应会返回卡支持的电压范围。对于对 CMD8
有响应的卡，把 ACMD41 命令的 HCS 位设置为 1，可以测试卡的容量类型，如果卡响应的 CCS 位为 1 说明为高容量 SD 卡，否则为标准卡。卡在响应 ACMD41 之后进入准备状态，不响应 ACMD41 的卡为不可用卡，进入无效状态。 ACMD41 是应用特定命令，发送该命令之前必须先发 CMD55。
ALL_SEND_CID(CMD2) 用来控制所有卡返回它们的卡识别号 (CID)，处于准备状态的卡在发送 CID 之后就进入识别状态。之后主机就发送 SEND_RELATIVE_ADDR(CMD3) 命令，让卡自己推
荐一个相对地址 (RCA) 并响应命令。这个 RCA 是 16bit 地址，而 CID 是 128bit 地址，使用 RCA简化通信。卡在接收到 CMD3 并发出响应后就进入数据传输模式，并处于待机状态，主机在获取所有卡 RCA 之后也进入数据传输模式。

数据传输模式

只有SD卡系统处于数据传输模式下才可以进行数据读写操作。数据传输模式下可以将主机SD时钟频率设置为FPP，默认最高为25MHz，频率切换可以通过CMD4命令实现。

CMD7 用来选定和取消指定的卡，卡在待机状态下还不能进行数据通信，因为总线上可能有多个卡都是出于待机状态，必须选择一个 RCA 地址目标卡使其进入传输状态才可以进行数据通信。
同时通过 CMD7 命令也可以让已经被选择的目标卡返回到待机状态。

数据传输模式下的数据通信都是主机和目标卡之间通过寻址命令点对点进行的。 CMD12 可以中断正在进行的数据通信，让卡返回到传输状态。 CMD0 和 CMD15 会中止任何数据编程操作，返回卡识别模式，这可能导致卡数据被损坏。

STM32功能框图

SDIO接口组成：SDIO适配器和AHB接口。

SDIO适配器提供SDIO主机功能，可以提供SD时钟，发送命令和数据传输。

AHB接口用于控制器访问SDIO适配器寄存器并且可以产生中断和DMA请求信号。

SDIO使用两个时钟信号，SDIO适配器时钟（SDIOCLK=HCLK=72MHz）和AHB总线时钟的二分频（HCLK/2，一般为36MHz）。

适配器寄存器和 FIFO 使用 AHB 总线一侧的时钟(HCLK/2)，控制单元、命令通道和数据通道使用 SDIO 适配器一侧的时钟 (SDIOCLK)。
SDIO_CK 是 SDIO 接口与 SD 卡用于同步的时钟信号。它使用 SDIOCLK 作为 SDIO_CK 的时钟来源，可以通过设置 BYPASS 模式直接得到，这时 SDIO_CK = SDIOCLK=HCLK。若禁止 BYPASS 模式，可以通过配置时钟寄存器的 CLKDIV 位控制分频因子，即 SDIO_CK=SDIOCLK/（2+CLKDIV）= HCLK/（2+CLKDIV）。配置时钟时要注意， SD 卡普遍要求 SDIO_CK 时钟频率不能超过 25MHz。
STM32 控制器的 SDIO 是针对 MMC 卡和 SD 卡的主设备，所以预留有 8 根数据线，对于 SD 卡最多用四根数据线。

SDIO适配器是SD卡系统主机部分，是STM32控制器与SD卡数据通信中间设备。

SDIO适配器组成：控制单元、命令路径单元、数据路径单元、适配器寄存器单元和FIFO。

控制单元

控制单元包含电源管理和时钟管理。

电源管理部件会在系统断电和上电阶段禁止SD卡总线输出信号。时钟管理部件控制CLK线时钟信号生成。一般使用SDIOCLK分频得到。

命令路径

命令路径控制命令的发送，并控制卡的响应。

数据路径

数据路径部件负责与SD卡相互数据传输。

数据FIFO

数据 FIFO(先进先出) 部件是一个数据缓冲器，带发送和接收单元。

控制器的 FIFO 包含宽度为32bit、深度为 32 字的数据缓冲器和发送/接收逻辑。其中 SDIO 状态寄存器 (SDIO_STA) 的 TXACT位用于指示当前正在发送数据， RXACT 位指示当前正在接收数据，这两个位不可能同时为 1。
• 当 TXACT 为 1 时，可以通过 AHB 接口将数据写入到传输 FIFO。
• 当 RXACT 为 1 时，接收 FIFO 存放从数据路径部件接收到的数据。
根据 FIFO 空或满状态会把 SDIO_STA 寄存器位值 1，并可以产生中断和 DMA 请求。

适配器寄存器

适配器寄存器包含了控制 SDIO 外设的各种控制寄存器及状态寄存器。

HAL库_SDIO

SDIO配置

SD_HandleTypeDef uSdHandle;uint8_t BSP_SD_Init(void)
{ GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};uint8_t state = MSD_OK;__HAL_RCC_SDIO_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_DMA2_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOD_CLK_ENABLE();__HAL_RCC_GPIOF_CLK_ENABLE();uSdHandle.Instance = SDIO;uSdHandle.Init.ClockEdge           = SDIO_CLOCK_EDGE_RISING;uSdHandle.Init.ClockBypass         = SDIO_CLOCK_BYPASS_DISABLE;uSdHandle.Init.ClockPowerSave      = SDIO_CLOCK_POWER_SAVE_DISABLE;uSdHandle.Init.BusWide             = SDIO_BUS_WIDE_1B;uSdHandle.Init.HardwareFlowControl = SDIO_HARDWARE_FLOW_CONTROL_DISABLE;uSdHandle.Init.ClockDiv            = SDIO_TRANSFER_CLK_DIV;GPIO_InitStruct.Pin                = GPIO_PIN_8 | GPIO_PIN_9 | GPIO_PIN_10 | GPIO_PIN_11 | GPIO_PIN_12;GPIO_InitStruct.Mode               = GPIO_MODE_AF_PP;GPIO_InitStruct.Pull               = GPIO_PULLUP;GPIO_InitStruct.Speed              = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;HAL_GPIO_Init(GPIOC, &GPIO_InitStruct);GPIO_InitStruct.Pin                = GPIO_PIN_2;HAL_GPIO_Init(GPIOD, &GPIO_InitStruct);if(HAL_SD_Init(&uSdHandle) != HAL_OK){state = MSD_ERROR;}if(state == MSD_OK){if(HAL_SD_ConfigWideBusOperation(&uSdHandle, SDIO_BUS_WIDE_4B) != HAL_OK){state = MSD_ERROR;}else{state = MSD_OK;}}return  state;
}

SDIO初始化结构体

typedef struct
{uint32_t CardType;                         uint32_t CardVersion;                       uint32_t Class;                             uint32_t RelCardAdd;                        uint32_t BlockNbr;                          uint32_t BlockSize;                         uint32_t LogBlockNbr;                   uint32_t LogBlockSize;
}HAL_SD_CardInfoTypeDef;typedef struct
{SD_TypeDef                   *Instance;          SD_InitTypeDef               Init;               HAL_LockTypeDef              Lock;             uint32_t                     *pTxBuffPtr;      uint32_t                     TxXferSize;       uint32_t                     *pRxBuffPtr;      uint32_t                     RxXferSize;        __IO uint32_t                Context;           __IO HAL_SD_StateTypeDef     State;              __IO uint32_t                ErrorCode;         DMA_HandleTypeDef            *hdmarx;            DMA_HandleTypeDef            *hdmatx;           HAL_SD_CardInfoTypeDef       SdCard;             uint32_t                     CSD[4];             uint32_t                     CID[4];
}SD_HandleTypeDef;typedef struct
{__IO uint8_t  CSDStruct;            __IO uint8_t  SysSpecVersion;       __IO uint8_t  Reserved1;            __IO uint8_t  TAAC;                 __IO uint8_t  NSAC;                 __IO uint8_t  MaxBusClkFrec;        __IO uint16_t CardComdClasses;      __IO uint8_t  RdBlockLen;          __IO uint8_t  PartBlockRead;        __IO uint8_t  WrBlockMisalign;      __IO uint8_t  RdBlockMisalign;     __IO uint8_t  DSRImpl;             __IO uint8_t  Reserved2;           __IO uint32_t DeviceSize;           __IO uint8_t  MaxRdCurrentVDDMin;  __IO uint8_t  MaxRdCurrentVDDMax;   __IO uint8_t  MaxWrCurrentVDDMin;   __IO uint8_t  MaxWrCurrentVDDMax;   __IO uint8_t  DeviceSizeMul;        __IO uint8_t  EraseGrSize;          __IO uint8_t  EraseGrMul;           __IO uint8_t  WrProtectGrSize;      __IO uint8_t  WrProtectGrEnable;    __IO uint8_t  ManDeflECC;           __IO uint8_t  WrSpeedFact;          __IO uint8_t  MaxWrBlockLen;        __IO uint8_t  WriteBlockPaPartial; __IO uint8_t  Reserved3;            __IO uint8_t  ContentProtectAppli;  __IO uint8_t  FileFormatGrouop;     __IO uint8_t  CopyFlag;             __IO uint8_t  PermWrProtect;      __IO uint8_t  TempWrProtect;       __IO uint8_t  FileFormat;          __IO uint8_t  ECC;                 __IO uint8_t  CSD_CRC;             __IO uint8_t  Reserved4;
}HAL_SD_CardCSDTypeDef;typedef struct
{__IO uint8_t  ManufacturerID;  __IO uint16_t OEM_AppliID;     __IO uint32_t ProdName1;       __IO uint8_t  ProdName2;       __IO uint8_t  ProdRev;         __IO uint32_t ProdSN;          __IO uint8_t  Reserved1;       __IO uint16_t ManufactDate;    __IO uint8_t  CID_CRC;         __IO uint8_t  Reserved2;
}HAL_SD_CardCIDTypeDef;typedef struct
{__IO uint8_t  DataBusWidth;          __IO uint8_t  SecuredMode;           __IO uint16_t CardType;              __IO uint32_t ProtectedAreaSize;     __IO uint8_t  SpeedClass;            __IO uint8_t  PerformanceMove;       __IO uint8_t  AllocationUnitSize;    __IO uint16_t EraseSize;             __IO uint8_t  EraseTimeout;          __IO uint8_t  EraseOffset;
}HAL_SD_CardStatusTypeDef;

SDIO函数

HAL_StatusTypeDef HAL_SD_Init(SD_HandleTypeDef *hsd);
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_InitCard(SD_HandleTypeDef *hsd);
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_DeInit (SD_HandleTypeDef *hsd);
void HAL_SD_MspInit(SD_HandleTypeDef *hsd);
void HAL_SD_MspDeInit(SD_HandleTypeDef *hsd);/* Blocking mode: Polling */
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_ReadBlocks(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData, uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks, uint32_t Timeout);
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_WriteBlocks(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData, uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks, uint32_t Timeout);
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_Erase(SD_HandleTypeDef *hsd, uint32_t BlockStartAdd, uint32_t BlockEndAdd);
/* Non-Blocking mode: IT */
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_ReadBlocks_IT(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData, uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks);
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_WriteBlocks_IT(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData, uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks);
/* Non-Blocking mode: DMA */
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_ReadBlocks_DMA(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData, uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks);
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_WriteBlocks_DMA(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData, uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks);void HAL_SD_IRQHandler(SD_HandleTypeDef *hsd);/* Callback in non blocking modes (DMA) */
void HAL_SD_TxCpltCallback(SD_HandleTypeDef *hsd);
void HAL_SD_RxCpltCallback(SD_HandleTypeDef *hsd);
void HAL_SD_ErrorCallback(SD_HandleTypeDef *hsd);
void HAL_SD_AbortCallback(SD_HandleTypeDef *hsd);HAL_StatusTypeDef HAL_SD_ConfigWideBusOperation(SD_HandleTypeDef *hsd, uint32_t WideMode);HAL_StatusTypeDef       HAL_SD_SendSDStatus(SD_HandleTypeDef *hsd, uint32_t *pSDstatus);
HAL_SD_CardStateTypeDef HAL_SD_GetCardState(SD_HandleTypeDef *hsd);
HAL_StatusTypeDef       HAL_SD_GetCardCID(SD_HandleTypeDef *hsd, HAL_SD_CardCIDTypeDef *pCID);
HAL_StatusTypeDef       HAL_SD_GetCardCSD(SD_HandleTypeDef *hsd, HAL_SD_CardCSDTypeDef *pCSD);
HAL_StatusTypeDef       HAL_SD_GetCardStatus(SD_HandleTypeDef *hsd, HAL_SD_CardStatusTypeDef *pStatus);
HAL_StatusTypeDef       HAL_SD_GetCardInfo(SD_HandleTypeDef *hsd, HAL_SD_CardInfoTypeDef *pCardInfo);HAL_SD_StateTypeDef HAL_SD_GetState(SD_HandleTypeDef *hsd);
uint32_t HAL_SD_GetError(SD_HandleTypeDef *hsd);HAL_StatusTypeDef HAL_SD_Abort(SD_HandleTypeDef *hsd);
HAL_StatusTypeDef HAL_SD_Abort_IT(SD_HandleTypeDef *hsd);