SDIO协议

SDIO协议

• 1 概述
    SDIO，全称：Secure Digital Input and Output ，即安全数字输入输出接口。
• 2 特点
  • ①与多媒体卡系统规格书版本4.2全兼容。支持三种不同的数据总线模式：1位(默认)、4位和8位。
  • ②与较早的多媒体卡系统规格版本全兼容(向前兼容)。
  • ③与SD存储卡规格版本2.0全兼容。
  • ④与SD I/O卡规格版本2.0全兼容：支持两种不同的数据总线模式：1位(默认)和4位。
  • ⑤完全支持CE-ATA功能(与CE-ATA数字协议版本1.1全兼容)。  8位总线模式下数据传输速率可达48MHz。
  • ⑥数据和命令输出使能信号，用于控制外部双向驱动器。
• 3 SDIO框图
  复位后SDIO_D0用于数据传输。初始化后主机可以改变数据总线的宽度（通过ACMD6命令设置）。  如果一个多媒体卡接到了总线上，则SDIO_D0、SDIO_D[3:0]或SDIO_D[7:0]可以用于数据传输。        
  ​MMC版本V3.31和之前版本的协议只支持1位数据线，所以只能用SDIO_D0（为了通用性考虑，在程序里面我们只要检测到是MMC卡就设置为1位总线数据）。 ​
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• 4 SDIO时钟
  注意：在SD卡初始化时，SDIO_CK不可以超过400Khz，初始化完成后，可以设置为最大频率（但不可以超过SD卡最大操作频率）。
  
  • 卡时钟 SDIO_CK
    每个时钟周期在命令和数据线上传输1位命令或数据。对于SD或SD I/O卡，时钟频率可以在0MHz至25MHz间变化。
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  • SDIO适配器时钟 SDIOCLK
    该时钟用于驱动SDIO适配器，可用于产生SDIO_CK时钟。对F1来说，SDIOCLK来自HCLK(72Mhz)；对F4来说，SDIOCLK来自PLL48CK(48Mhz)。
    
  • F1：AHB总线接口时钟 HCLK/2
    该时钟用于驱动SDIO的AHB总线接口，其频率为HCLK/2=36Mhz。
    
  •  F4：APB2总线接口时钟 PCLK2
    该时钟用于驱动SDIO的APB2总线       接口，其频率为PCLK2=84Mhz。
    
  • SDIO_CK 计算公式： SDIO_CK= SDIOCLK/(2+CLKDIV)
    CLKDIV是一个分频系数
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• 5 SDIO命令与响应
  • SDIO的命令分为
    
    
    应用相关命令(ACMD)和通用命令(CMD)两部分。发送ACMD时，需先发送CMD55。
    SDIO所有的命令和响应都是在SDIO_CMD引脚上面传输的，命令长度固定为48位，SDIO命令格式如上表所示​
    其中：除了命令索引和参数需要我们设置，其他都是由SDIO硬件自动控制。命令索引（如CMD0，CMD1之类）由SDIO_CMD寄存器设置，命令参数则由SDIO_ARG寄存器设置。
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    • 一般SD卡在接收到命令行，都会有一个应答（CMD0例外），这个应答我们也称之为响应。STM32的SDIO接口，支持2种响应类型：短响应(48位)和长响应(136位)。
    • STM32 SDIO短响应（48位）格式如下表所示：
      
      
      不论是短响应还是长响应，硬件都会自动滤除了起始位、传输位、CRC7以及结束位等信息，对于短响应，命令索引存放在SDIO_RESPCMD寄存器，参数则存放在SDIO_RESP1寄存器里面。对于长响应，则仅留CID/CSD位域，存放在SDIO_RESP1~SDIO_RESP4等4个寄存器
    • SD卡总共有6类响应（R1、R1b、R2、R3、R6、R7），我们这里以R1为例简单介绍一下。R1（普通响应命令）响应属于短响应，其长度为48位,如下表
      
• 6 SDIO块数据传输
  • SDIO与SD卡通信一般以数据块的形式进行传输，SDIO(多)数据块读操作，如下图所示：
    
    
         从机在收到主机相关命令后，开始发送数据块给主机，所有数据块都带CRC校验（由硬件自动处理），单个数据块读的时候，在收到1个数据块以后即可以停止了，不需要发送停止命令（CMD12）。但是多块数据读的时候，SD卡将一直发送数据给主机，直到接到主机发送的STOP命令（CMD12）。
  • SDIO(多)数据块写操作，如下图所示
    
    
     数据块写操作同数据块读操作基本类似，只是数据块写的时候，多了一个繁忙判断，新的数据块必须在SD卡非繁忙的时候发送。这里的繁忙信号由SD卡拉低SDIO_D0，以表示繁忙，SDIO硬件自动控制，不需要我们软件处理。
    
• 7 SDIO寄存器
  • SDIO电源控制寄存器 SDIO_POWER
    
    
    该寄存器只有最低2位(PWRCTRL[1:0])有效，其他都是保留位，STM32复位以后，PWRCTRL=00，处于掉电状态。所以，我们首先要给SDIO上电，设置这两个位为：11。
  • SDIO时钟控制寄存器 SDIO_CLKCR
    
    
    注意：当SDIO_CK频率过快时，可能导致SD卡通信失败，此时，建议降低SDIO_CK试试。
    一般位10设置为0 禁止旁路
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  • SDIO参数寄存器 SDIO_ARG
    
    
    该寄存器用于存储命令参数。注意：参数必须先于命令写入​​​​
  • SDIO命令寄存器 SDIO_CMD
    
    
     低6位为命令索引，即要发送的命令索引号（如发送CMD1，其值为1，索引就设置为1）。位[7:6]，用于设置等待响应位，用于指示CPSM是否需要等待，以及等待类型等。CPSM：即命令通道状态机，请参考《STM32中文参考手册》相关章节。命令通道状态机我们一般都是开启的，所以位10要设置为1。
    
  • SDIO命令响应寄存器 SDIO_RESPCMD
    
    
     该寄存器只有低6位有效，比较简单，用于存储最后收到的命令响应中的命令索引。如果传输的命令响应不包含命令索引，则该寄存器的内容不可预知。
    
  • SDIO命令响应1~4寄存器 SDIO_RESPx，x=1~4
    
    
    命令响应寄存器组，总共包含4个32位寄存器组成，用于存放接收到的卡响应部分的信息。如果收到短响应，则数据存放在SDIO_RESP1寄存器里面，其他三个寄存器没有用到。而如果收到长响应，则依次存放在SDIO_RESP1~SDIO_RESP4里面
    
  • SDIO数据定时器寄存器 SDIO_DTIMER
    
    
    寄存器用于存储以卡总线时钟（SDIO_CK）为周期的数据超时时间，一个计数器将从SDIO_DTIMER寄存器加载数值，并在数据通道状态机(DPSM)进入Wait_R或繁忙状态时进行递减计数，当DPSM处在这些状态时，如果计数器减为0，则设置超时标志。DPSM：即数据通道状态机，类似CPSM，详见《STM32中文参考手册》相关章节。
            注意：在写入数据控制寄存器（SDIO_DCTRL），进行数据传输之前，须先写入该寄存器（SDIO_DTIMER）和数据长度寄存器（SDIO_DLEN）！​
    
  • SDIO数据长度寄存器 SDIO_DLEN
    
    
      该寄存器低25位有效，用于设置需要传输的数据字节长度。对于块数据传输，该寄存器的数值，必须是数据块长度（通过SDIO_DCTRL设置）的倍数。
          即：假定数据块大小为512字节，那么SDIO_DLEN的设置，必须是512的整数倍，最大可以设置读取65535个数据块。
    
  • SDIO数据控制寄存器 SDIO_DCTRL
    
    
     该寄存器，用于控制数据通道状态机(DPSM)，包括数据传输使能、传输方向、传输模式、DMA使能、数据块长度等信息的设置。
         我们需要根据自己的实际情况，来配置该寄存器，才可正常实现数据收发。
    
  • SDIO状态寄存器 SDIO_STA
    
    
    另外，SDIO的清除中断寄存器(SDIO_ICR)和中断屏蔽寄存器(SDIO_MASK)，这两个寄存器和状态寄存器(SDIO_STA)每个位的定义都相同，只是功能各有不同。请参考着学习。
           状态寄存器可以用来查询SDIO控制器的当前状态，以便处理各种事务。比如SDIO_STA的位2表示命令响应超时，说明SDIO的命令响应出了问题。我们通过设置SDIO_ICR的位2则可以清除这个超时标志。
  • SDIO数据FIFO寄存器 SDIO_FIFO
    
    
          数据FIFO寄存器包括接收和发送FIFO，他们由一组连续的32个地址上的32个寄存器组成，CPU可以使用FIFO读写多个操作数。
    ​例如我们要从SD卡读数据，就必须读SDIO_FIFO寄存器，要写数据到SD卡，则要写SDIO_FIFO寄存器。SDIO将这32个地址分为16个一组，发送接收各占一半。而我们每次读写的时候，最多就是读取接收FIFO或写入发送FIFO的一半大小的数据，也就是8个字（32个字节）。
    注意：操作SDIO_FIFO必须是以4字节对齐的内存操作，否则可能出错！