【stm32f407】SD协议(一)-SDIO

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SDIO简介

1.      SDIO主要功能及框图

STM32F4SDIO控制器支持多媒体卡(MMC)、SD存储卡、SD I/O卡和CE-ATA设备等。SDIO的主要功能如下:

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(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)      SD存储卡规格版本2.0全兼容。

4)      SD I/O卡规格版本2.0全兼容:支持良种不同的数据总线模式:1(默认)4位。

5)      完全支持CE-ATA功能(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(分频器旁路时)。

6)      数据和命令输出使能信号,用于控制外部双向驱动器。

STM32F4SDIO控制器包含2个部分:SDIO适配器模块和APB2总线接口,其功能框图如图所示

【stm32f407】SD协议(一)-SDIO_第1张图片

复位后默认情况下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_D0SDIO_D[3:0]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)。

如果一个SDSD I/O卡接到了总线上,可以通过主机配置数据传输使用SDIO_D0SDIO_D[3:0]。所有的数据线都工作在推挽模式。

SDIO_CMD有两种操作模式:

用于初始化时的开路模式(仅用于MMC版本V3.31或之前版本)

用于命令传输的推挽模式(SD/SD I/O卡和MMC V4.2在初始化时也使用推挽驱动)

2.      SDIO的时钟

从上图我们可以看到SDIO总共有3个时钟,分别是:

1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。对于多媒体卡V3.31协议,时钟频率可以在0MHz20MHz间变化;对于多媒体卡V4.0/4.2协议,时钟频率可以在0MHz48MHz间变化;对于SDSD I/O卡,时钟频率可以在0MHz25MHz间变化。

2 SDIO适配器时钟(SDIOCLK):该时钟用于驱动SDIO适配器,来自PLL48CK,一般为48Mhz,并用于产生SDIO_CK时钟。

3 APB2总线接口时钟(PCLK2):该时钟用于驱动SDIOAPB2总线接口,其频率为HCLK/2,一般为84Mhz

前面提到,我们的SD卡时钟(SDIO_CK),根据卡的不同,可能有好几个区间,这就涉及到时钟频率的设置,SDIO_CKSDIOCLK的关系(时钟分频器不旁路时)为:

SDIO_CK=SDIOCLK/(2+CLKDIV)

其中,SDIOCLKPLL48CK,一般是48Mhz,而CLKDIV则是分配系数,可以通过SDIOSDIO_CLKCR寄存器进行设置(确保SDIO_CK不超过卡的最大操作频率)。注意,以上公式,是时钟分频器不旁路时的计算公式,当时钟分频器旁路时,SDIO_CK直接等于SDIOCLK

这里要提醒大家,在SD卡刚刚初始化的时候,其时钟频率(SDIO_CK)是不能超过400Khz的,否则可能无法完成初始化。在初始化以后,就可以设置时钟频率到最大了(但不可超过SD卡的最大操作时钟频率)。

3.      SDIO的命令与响应

SDIO的命令分为应用相关令(ACMD)和令(CMD)两部分,应用相关命令(ACMD)的发送,必须先发送通用命令(CMD55),然后才能发送应用相关命令(ACMD)。

SDIO的所有命令和响应都是通过SDIO_CMD引脚传输的,任何命令的长度都是固定为48位,SDIO的命令格式如图所示:

【stm32f407】SD协议(一)-SDIO_第2张图片

所有的命令都是由STM32F4发出,其中开始位、传输位、CRC7和结束位由SDIO硬件控制,我们需要设置的就只有命令索引和参数部分。其中命令索引(如CMD0CMD1之类的)在SDIO_CMD寄存器里面设置,命令参数则由寄存器SDIO_ARG设置。

一般情况下,选中的SD卡在接收到命令之后,都会回复一个应答(注意CMD0是无应答的),这个应答我们称之为响应,响应也是在CMD线上串行传输的。STM32F4SDIO控制器支持2种响应类型,即:短响应(48位)和长响应(136位),这两种响应类型都带CRC错误检测(注意不带CRC的响应应该忽略CRC错误标志,如CMD1的响应)。

短响应的格式如表所示

【stm32f407】SD协议(一)-SDIO_第3张图片

长响应的格式如图所示:

【stm32f407】SD协议(一)-SDIO_第4张图片

同样,硬件为我们滤除了开始位、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_RESP44个寄存器。

SD存储卡总共有5类响应(R1R2R3R6R7),我们这里以R1为例简单介绍一下。

R1(普通响应命令)响应输入短响应,其长度为48位,R1响应的格式如图所示:

【stm32f407】SD协议(一)-SDIO_第5张图片

在收到R1响应后,我们可以从SDIO_RESPCMD寄存器和SDIO_RESP1寄存器分别读出命令索引和卡状态信息。

最后,我们看看数据在SDIO控制器与SD卡之间的传输。对于SDI/SDIO存储器,数据是以数据块的形式传输的,而对于MMC卡,数据是以数据块或者数据流的形式传输。本节我们只考虑数据块形式的数据传输。

SDIO(多)数据块读操作,如图所示

【stm32f407】SD协议(一)-SDIO_第6张图片

从上图,我们可以看出,从机在收到主机相关命令后,开始发送数据块给主机,所有数据块都带有CRC校验值(CRCSDIO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,如图所示:

【stm32f407】SD协议(一)-SDIO_第7张图片

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。

4.      SDIO相关寄存器介绍

第一个,我们来看SDIO电源控制寄存器(SDIO_POWER),该寄存器定义如图所示:

【stm32f407】SD协议(一)-SDIO_第8张图片

该寄存器复位值为0,所以SDIO的电源是关闭的,我们要启用SDIO,第一步就是要设置该寄存器最低2个位均为1,让SDIO上电,开启卡时钟。

第二个,我们看SDIO时钟控制寄存器(SDIO_CLKCR),该寄存器主要用于设置SDIO_CK的分配系数,开关等,并可以设置SDIO的数据位宽,该寄存器的定义如图所示

【stm32f407】SD协议(一)-SDIO_第9张图片

上图仅列出了部分我们要用到的位设置,WIDBUS用于设置SDIO总线位宽,正常使用的时候,设置为1,即4位宽度。BYPASS用于设置分频器是否旁路,我们一般要使用分频器,所以这里设置为0,禁止旁路。CLKEN则用于设置是否使能SDIO_CK,我们设置为1。最后,CLKDIV,则用于控制SDIO_CK的分频,一般设置为0,即可得到24MhzSDIO_CK频率。

第三个,我们要介绍的是SDIO参数制寄存器(SDIO_ARG),该寄存器比较简单,就是一个32位寄存器,用于存储命令参数,不过需要注意的是,必须在写命令之前先写这个参数寄存器!

第四个,我们要介绍的是SDIO命令响应寄存器(SDIO_RESPCMD),该寄存器为32位,但只有低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。

第五个,我们要介绍的是SDIO响应寄存器组(SDIO_RESP1~SDIO_RESP4),该寄存器组总共由432位寄存器组成,用于存放接收到的卡响应部分信息。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,如表所示:

【stm32f407】SD协议(一)-SDIO_第10张图片

第七个,我们介绍SDIO命令寄存器(SDIO_CMD),该寄存器各位定义如图43.1.4.3所示:

【stm32f407】SD协议(一)-SDIO_第11张图片

图中只列出了部分位的描述,其中低6位为命令索引,也就是我们要发送的命令索引号(比如发送CMD1,其值为1,索引就设置为1)。[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。这里的CPSM,即命令通道状态机。

第八个,我们要介绍的是SDIO数据定时器寄存器(SDIO_DTIMER),该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。这里的DPSM,即数据通道状态机,类似CPSM。注意:在写入数据控制寄存器,

进行数据传输之前,必须先写入该寄存器(SDIO_DTIMER)和数据长度寄存器(SDIO_DLEN)!

第九个,我们要介绍的是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。

第十个,我们要介绍的是SDIO数据控制寄存器(SDIO_DCTRL),该寄存器各位定义如图所示:

【stm32f407】SD协议(一)-SDIO_第12张图片

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,都是通过该寄存器设置。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。

接下来,我们介绍几个位定义十分类似的寄存器,他们是:状态寄存器(SDIO_STA)、清除中断寄存器(SDIO_ICR)和中断屏蔽寄存器(SDIO_MASK),这三个寄存器每个位的定义都相同,只是功能各有不同。所以可以一起介绍,以状态寄存器(SDIO_STA)为例,该寄存器各位定义如图所示:

【stm32f407】SD协议(一)-SDIO_第13张图片

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,而设置SDIO_MASK的位2,则可以开启命令响应超时中断,设置为0关闭。其他位我们就不一一介绍了,请大家自行学习。

最后,我们向大家介绍SDIO的数据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,最多就是读取发送FIFO或写入接收FIFO的一半大小的数据,也就是8个字(32个字节),这里特别提醒,我们操作SDIO_FIFO(不论读出还是写入)必须是以4字节对齐的内存进行操作,否则将导致出错!

至此,SDIO的相关寄存器介绍,我们就介绍完了。还有几个不常用的寄存器,我们没有介绍

 

 

           

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