STM32利用SPI读写SD卡的程序详解
STM32利用SPI读写SD卡的一些程序详解
SD卡的读写驱动程序是运用FATFS的基础，学了FATFS就可以在SD卡上创建文件夹及文件了。
int main(void)
{
u16 i;
USART1_Config();
for(i=0;i<1536;i++)
send_data[i]='D';
switch(SD_Init())
{
case 0:
USART1_Puts("\r\nSD Card Init Success!\r\n");
break;
case 1:
USART1_Puts("Time Out!\n");
break;
case 99:
USART1_Puts("No Card!\n");
break;
default: USART1_Puts("unknown err\n");
break;
}
SD_WriteSingleBlock(30,send_data);
SD_ReadSingleBlock(30,receive_data);
if(Buffercmp(send_data,receive_data,512))
{
USART1_Puts("\r\n single read and write success \r\n");
//USART1_Puts(receive_data);
}
SD_WriteMultiBlock(50,send_data,3);
SD_ReadMultiBlock(50,receive_data,3);
if(Buffercmp(send_data,receive_data,1536))
{
USART1_Puts("\r\n multi read and write success \r\n");
//USART1_Puts(receive_data);
}
while(1);
}
这里程序流程比较简单：
1）配置串口，用作程序的调试输出
2）填充将要给SD卡写入数据的数组send_data。
3）初始化SD卡，根据返回SD_Init()返回值确定SD卡初始化是否完成。
4）单块读写实验，并比对读写出的数据是否相同。
5）多块读写实验，并比对读写出的数据是否相同。
下面我们开始对main函数中涉及到的用户函数的层层调用详细说明
SD初始化函数SD_Init()
为使程序更简洁，故只对SD卡进行检测，放弃对MMC卡的支持（此种卡市面上已几乎不再使用，本人手上也没有这种卡，所以写出驱动程序，也没有硬件进行检测是否可用）。
下面程序是部分对SD2.0卡检测的代码，完整代码中还有对1.0版本SD卡的初始化，可下载完整代码查看。
u8 SD_Init(void)
{
u16 i;
u8 r1;
u16 retry;
u8 buff[6];
SPI_ControlLine();
//SD卡初始化时时钟不能超过400KHz
SPI_SetSpeed(SPI_SPEED_LOW);
//CS为低电平，片选置低，选中SD卡
SD_CS_ENABLE();
//纯延时，等待SD卡上电稳定
for(i=0;i<0xf00;i++);
//先产生至少74个脉冲，让SD卡初始化完成
for(i=0;i<10;i++)
{
//参数可随便写，经过10次循环，产生80个脉冲
SPI_ReadWriteByte(0xff);
}
//-----------------SD卡复位到idle状态----------------
//循环发送CMD0，直到SD卡返回0x01,进入idle状态
//超时则直接退出
retry=0;
do
{
//发送CMD0，CRC为0x95
r1=SD_SendCommand(CMD0,0,0x95);
retry++;
}
while((r1!=0x01)&&(retry<200));
//跳出循环后，检查跳出原因，
if(retry==200) //说明已超时
{
return 1;
}
//如果未超时，说明SD卡复位到idle结束
//发送CMD8命令，获取SD卡的版本信息
r1=SD_SendCommand(CMD8,0x1aa,0x87);
//下面是SD2.0卡的初始化
if(r1==0x01)
{
// V2.0的卡，CMD8命令后会传回4字节的数据，要跳过再结束本命令
buff[0] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);
buff[1] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);
buff[2] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);
buff[3] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);
SD_CS_DISABLE();
//多发8个时钟
SPI_ReadWriteByte(0xFF);
retry = 0;
//发卡初始化指令CMD55+ACMD41
do
{
r1 = SD_SendCommand(CMD55, 0, 0);
//应返回0x01
if(r1!=0x01)
return r1;
r1 = SD_SendCommand(ACMD41, 0x40000000, 1);
retry++;
if(retry>200)
return r1;
}
while(r1!=0);
//初始化指令发送完成，接下来获取OCR信息
//----------鉴别SD2.0卡版本开始-----------
//读OCR指令
r1 = SD_SendCommand_NoDeassert(CMD58, 0, 0);
//如果命令没有返回正确应答，直接退出，返回应答
if(r1!=0x00)
return r1;
//应答正确后，会回传4字节OCR信息
buff[0] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);
buff[1] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);
buff[2] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);
buff[3] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);
//OCR接收完成，片选置高
SD_CS_DISABLE();
SPI_ReadWriteByte(0xFF);
//检查接收到的OCR中的bit30位（CSS），确定其为SD2.0还是SDHC
//CCS=1：SDHC CCS=0：SD2.0
if(buff[0]&0x40)
{
SD_Type = SD_TYPE_V2HC;
}
else
{
SD_Type = SD_TYPE_V2;
}
//-----------鉴别SD2.0卡版本结束-----------
SPI_SetSpeed(1); //设置SPI为高速模式
}
}
以上函数是根据SD卡的发送和响应时序进行编写的。
1）程序中配置好SPI模式和引脚后，需要先将SPI的速度设为低速，SD卡初始化时SCK时钟信号不能大于400KHz，初始化结束后再设为高速模式，这里对SPI的模式配置不在赘述，可参考SPI读写FLASH文章的相关内容。
2）将片选信号拉低，选中SD卡，上电后，需要等待至少74个时钟，使SD卡上电稳定。
3）向SD卡发送CMD0指令，SD卡如果返回0x01，说明SD卡已复位到idle状态。
4）向SD卡发送CMD8指令，SD卡如果返回0x01，说明SD卡是2.0或SDHC卡。
SPI读写一字节数据
在这里，先介绍一个相对底层的函数。
SPI操作SD卡时，发送和接收是同步的，所以发送和接收数据使用同一个函数。
在发送数据时，并不关心函数的返回值；
在接收数据时，可以发送并无实际意义的字节（如0xFF）作为函数的参数。
u8 SPI_ReadWriteByte(u8 TxData)
{
while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE)==RESET);
SPI_I2S_SendData(SPI1,TxData);
while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE)==RESET);
return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);
}
这个函数在所有主机与SD卡通信的函数中都会被调用到。
从SD卡中读回指定长度的数据
在SD卡读写试验中，我们会遇到很多需要读取SD卡各个寄存器数据的情况。
SD卡返回的数据长度并不都相同，所以需要一个函数来实现这个功能。
函数中多次调用了读写一字节数据的函数SPI_ReadWriteByte。
这个功能由函数 u8 SD_ReceiveData()来实现。
u8 SD_ReceiveData(u8 *data, u16 len, u8 release)
{
u16 retry;
u8 r1;
//启动一次传输
SD_CS_ENABLE();
retry = 0;
do
{
r1 = SPI_ReadWriteByte(0xFF);
retry++;
if(retry>4000) //4000次等待后没有应答，退出报错（可多试几次）
{
SD_CS_DISABLE();
return 1;
}
}
//等待SD卡发回数据起始令牌0xFE
while(r1 != 0xFE);
//跳出循环后，开始接收数据
while(len--)
{
*data = SPI_ReadWriteByte(0xFF);
data++;
}
//发送2个伪CRC
SPI_ReadWriteByte(0xFF);
SPI_ReadWriteByte(0xFF);
//按需释放总线
if(release == RELEASE)
{
SD_CS_DISABLE();
SPI_ReadWriteByte(0xFF);
}
return 0;
}
此函数有3个输入参数:
u8 * data为保存读回数据的变量
len为需要保存的的数据个数
release 为当程序结束后是否释放总线的标志。
给SD卡发送命令
在初始化函数中，我们需要做的最多的就是给SD卡发送各种命令以及接收各种响应，从而判断卡片的类型，操作条件等相关信息。
一个命令包括6个段：
给SD卡发送命令的程序有2个。
区别为一个发送完命令后失能片选，一个为发送完命令不失能片选（后续还有数据传回）。
u8 SD_SendCommand(u8 cmd,u32 arg,u8 crc)
{
unsigned char r1;
unsigned int Retry = 0;
SD_CS_DISABLE();
//发送8个时钟，提高兼容性
SPI_ReadWriteByte(0xff);
//选中SD卡
SD_CS_ENABLE();
/*按照SD卡的命令序列开始发送命令 */
//cmd参数的第二位为传输位，数值为1，所以或0x40
SPI_ReadWriteByte(cmd | 0x40);
//参数段第24-31位数据[31..24]
SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 24));
//参数段第16-23位数据[23..16]
SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 16));
//参数段第8-15位数据[15..8]
SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 8));
//参数段第0-7位数据[7..0]
SPI_ReadWriteByte((u8)arg);
SPI_ReadWriteByte(crc);
//等待响应或超时退出
while((r1 = SPI_ReadWriteByte(0xFF))==0xFF)
{
Retry++;
if(Retry > 800) break; //超时次数
}
//关闭片选
SD_CS_DISABLE();
//在总线上额外发送8个时钟，让SD卡完成剩下的工作
SPI_ReadWriteByte(0xFF);
//返回状态值
return r1;
}
u8 SD_SendCommand_NoDeassert(u8 cmd, u32 arg,u8 crc)
{
unsigned char r1;
unsigned int Retry = 0;
SD_CS_DISABLE();
//发送8个时钟，提高兼容性
SPI_ReadWriteByte(0xff);
//选中SD卡
SD_CS_ENABLE();
/* 按照SD卡的命令序列开始发送命令 */
SPI_ReadWriteByte(cmd | 0x40);
SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 24));
SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 16));
SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 8));
SPI_ReadWriteByte((u8)arg);
SPI_ReadWriteByte(crc);
//等待响应或超时退出
while((r1 = SPI_ReadWriteByte(0xFF))==0xFF)
{
Retry++;
if(Retry > 800)break;
}
return r1;
}
以上两个函数就是根据SD卡在SPI模式下发送指令的时序编写的
取CID寄存器数据
u8 SD_GetCID(u8 *cid_data)
{
u8 r1;
//发CMD10命令，读取CID信息
r1 = SD_SendCommand(CMD10, 0, 0xFF);
if(r1 != 0x00)
return r1; //响应错误，退出
//接收16个字节的数据
SD_ReceiveData(cid_data, 16, RELEASE);
return 0;
}
以上程序源码相对比较简单，发送了CMD10读取CID寄存器命令后，如果相应正确，即开始进入接收数据环节，这里SD_ReceiveData函数中第二个参数输入16,即表示回传128位的CID数据。
获取SD卡容量信息
SD卡容量的信息主要是通过查询CSD寄存器的一些相关数据，并根据数据手册进行计算得出的。
该函数虽然较为复杂，但可先精读SPI操作SD卡的理论知识篇，看懂程序的算法为何是这样实现的，也就容易理解程序的编写原理了。
u32 SD_GetCapacity(void)
{
u8 csd[16];
u32 Capacity;
u8 r1;
u16 i;
u16 temp;
//取CSD信息，如果出错，返回0
if(SD_GetCSD(csd)!=0)
return 0;
//如果是CSD寄存器是2.0版本，按下面方式计算
if((csd[0]&0xC0)==0x40)
{
Capacity=((u32)csd[8])<<8;
Capacity+=(u32)csd[9]+1;
Capacity = (Capacity)*1024; //得到扇区数
Capacity*=512; //得到字节数
}
else //CSD寄存器是1.0版本
{
i = csd[6]&0x03;
i<<=8;
i += csd[7];
i<<=2;
i += ((csd[8]&0xc0)>>6);
r1 = csd[9]&0x03;
r1<<=1;
r1 += ((csd[10]&0x80)>>7);
r1+=2;
temp = 1;
while(r1)
{
temp*=2;
r1--;
}
Capacity = ((u32)(i+1))*((u32)temp);
i = csd[5]&0x0f;
temp = 1;
while(i)
{
temp*=2;
i--;
}
//最终结果
Capacity *= (u32)temp;
//字节为单位
}
return (u32)Capacity;
}
此函数计算出来的容量是Kbyte，结果除以1024就是Mbyte，再除以1024就是GByte。
2G的卡，结果可能是1.8G，8G的卡结果可能是7.6G，代表用户可用容量。
读单块block和读多块block
SD卡读单块和多块的命令分别为CMD17和CMD18，他们的参数即要读的区域的开始地址。
因为考虑到一般SD卡的读写要求地址对齐，所以一般我们都将地址转为块，并以扇区（块）（512Byte）为单位进行读写，比如读扇区0参数就为0，读扇区1参数就为1<<9(即地址512），读扇区2参数就为2<<9(即地址1024），依此类推。
读单块：
u8 SD_ReadSingleBlock(u32 sector, u8 *buffer)
{
u8 r1;
//高速模式
SPI_SetSpeed(SPI_SPEED_HIGH);
if(SD_Type!=SD_TYPE_V2HC) //如果不是SDHC卡
{
sector = sector<<9; //512*sector即物理扇区的边界对其地址
}
r1 = SD_SendCommand(CMD17, sector, 1); //发送CMD17 读命令
if(r1 != 0x00) return r1;
r1 = SD_ReceiveData(buffer, 512, RELEASE); //一个扇区为512字节
if(r1 != 0)
return r1; //读数据出错
else
return 0; //读取正确，返回0
}
读多块：
u8 SD_ReadMultiBlock(u32 sector, u8 *buffer, u8 count)
{
u8 r1;
SPI_SetSpeed(SPI_SPEED_HIGH);
if(SD_Type != SD_TYPE_V2HC)
{
sector = sector<<9;
}
r1 = SD_SendCommand(CMD18, sector, 1); //读多块命令
if(r1 != 0x00) return r1;
do //开始接收数据
{
if(SD_ReceiveData(buffer, 512, NO_RELEASE) != 0x00)
{
break;
}
buffer += 512;
} while(--count);
SD_SendCommand(CMD12, 0, 1); //全部传输完成，发送停止命令
SD_CS_DISABLE(); //释放总线
SPI_ReadWriteByte(0xFF);
if(count != 0)
return count; //如果没有传完，返回剩余个数
else
return 0;
}
写单块和写多块
SD卡用CMD24和CMD25来写单块和多块，参数的定义和读操作是一样的。
忙检测：SD卡写入数据并自编程时，数据线上读到0x00表示SD卡正忙，当读到0xff表示写操作完成。
u8 SD_WaitReady(void)
{
u8 r1;
u16 retry=0;
do
{
r1 = SPI_ReadWriteByte(0xFF);
retry++;
if(retry==0xfffe)
return 1;
}while(r1!=0xFF);
return 0;
}
写单块流程：
1.发送CMD24，收到0x00表示成功
2.发送若干时钟
3.发送写单块开始字节0xFE
4.发送512个字节数据
5.发送2字节CRC（可以均为0xff）
6.连续读直到读到XXX00101表示数据写入成功
7.继续读进行忙检测（读到0x00表示SD卡正忙），当读到0xff表示写操作完成
u8 SD_WriteSingleBlock(u32 sector, const u8 *data)
{
u8 r1;
u16 i;
16 retry;
//高速模式
SPI_SetSpeed(SPI_SPEED_HIGH);
//如果不是SDHC卡，将sector地址转为byte地址
if(SD_Type!=SD_TYPE_V2HC)
{
sector = sector<<9;
}
//写扇区指令
r1 = SD_SendCommand(CMD24, sector, 0x00);
if(r1 != 0x00)
{
//应答错误，直接返回
return r1;
}
//开始准备数据传输
SD_CS_ENABLE();
//先发3个空数据，等待SD卡准备好
SPI_ReadWriteByte(0xff);
SPI_ReadWriteByte(0xff);
SPI_ReadWriteByte(0xff);
//放起始令牌0xFE
SPI_ReadWriteByte(0xFE);
//发一个sector数据
for(i=0;i<512;i++)
{
SPI_ReadWriteByte(*data++);
}
//发送2个伪CRC校验
SPI_ReadWriteByte(0xff);
SPI_ReadWriteByte(0xff);
//等待SD卡应答
r1 = SPI_ReadWriteByte(0xff);
//如果为0x05说明数据写入成功
if((r1&0x1F)!=0x05)
{
SD_CS_DISABLE();
return r1;
}
//等待操作完成
retry = 0;
//卡自编程时，数据线被拉低
while(!SPI_ReadWriteByte(0xff))
{
retry++;
if(retry>65534) //如果长时间没有写入完成，退出报错
{
SD_CS_DISABLE();
return 1; //写入超时，返回1
}
}
//写入完成，片选置1
SD_CS_DISABLE();
SPI_ReadWriteByte(0xff);
return 0;
}
写多块流程：
1.发送CMD25，收到0x00表示成功
2.发送若干时钟
3.发送写多块开始字节0xFC
4.发送512字节数据
5.发送两个CRC（可以均为0xff）
6.连续读直到读到XXX00101表示数据写入成功
7.继续读进行忙检测，直到读到0xFF表示写操作完成
8.如果想读下一扇区重复2-7步骤
9.发送写多块停止字节0xFD来停止写操作
10.进行忙检测直到读到0xFF
u8 SD_WriteMultiBlock(u32 sector, const u8 *data, u8 count)
{
u8 r1;
u16 i;
SPI_SetSpeed(SPI_SPEED_HIGH);
if(SD_Type != SD_TYPE_V2HC)
{
sector = sector<<9;
}
if(SD_Type != SD_TYPE_MMC)
{
//启用ACMD23指令使能预擦除
r1 = SD_SendCommand(ACMD23, count, 0x01);
}
//写多块指令CMD25
r1 = SD_SendCommand(CMD25, sector, 0x01);
//应答不正确，直接返回
if(r1 != 0x00) return r1;
//开始准备数据传输
SD_CS_ENABLE();
//放3个空数据让SD卡准备好
SPI_ReadWriteByte(0xff);
SPI_ReadWriteByte(0xff);
SPI_ReadWriteByte(0xff);
//下面是N个sector循环写入的部分
do
{
//放起始令牌0xFC，表明是多块写入
SPI_ReadWriteByte(0xFC);
//发1个sector的数据
for(i=0;i<512;i++)
{
SPI_ReadWriteByte(*data++);
}
//发2个伪CRC
SPI_ReadWriteByte(0xff);
SPI_ReadWriteByte(0xff);
//等待SD卡回应
r1 = SPI_ReadWriteByte(0xff);
//0x05表示数据写入成功
if((r1&0x1F)!=0x05)
{
SD_CS_DISABLE();
return r1;
}
//检测SD卡忙信号
if(SD_WaitReady()==1)
{
SD_CS_DISABLE(); //长时间写入未完成，退出
return 1;
}
}
while(--count);
//发送传输结束令牌0xFD
SPI_ReadWriteByte(0xFD);
//等待准备好
if(SD_WaitReady())
{
SD_CS_DISABLE();
return 1;
}
//写入完成，片选置1
SD_CS_DISABLE();
SPI_ReadWriteByte(0xff);
//返回count值，如果写完，则count=0,否则count=未写完的sector数
return count;
}
SD卡的基本读写程序就是这些，编写的思路就是由最底层的SPI 读写一字节数据的程序作为基本程序，然后根据SD卡不同时序进行相应的组合。
想细致研究STM32的SPI在这个例程中的配置还是需要下载源码仔细阅读的。
掌握了这个例程的读写SD卡的函数原理，下一步就可以着手运用到FATFS文件系统了。