[FatFs 学习] SD卡总结-SPI模式

SD卡为移动设备提供了安全的,大容量存储解决方法。它本身可以通过两种总线模式和MCU进行数据传输,一种是称为SD BUS的4位串行数据模式,另一种就是大家熟知的4线SPI Bus模式。一些廉价,低端的MCU,通过硬件(或软件)SPI就能和SD卡进行通信,实现大容量存储的要求,这也是SD卡的魅力所在。

 

一、引脚定义

        SD BUS模式下,信号包括4根数据线DAT3~DAT0,一根命令传输线CMD和一根时钟同步线;而在SPI模式下,只需要4跟信号线,分别为一根SD卡数据输出,一根SD卡数据输入,一根时钟同步和一根片选线。右图所示是SD卡的引脚定义,左边为标准SD卡,右边为Micro SD卡(也叫TF卡)。        [FatFs 学习] SD卡总结-SPI模式_第1张图片

 

 

二、SPI模式

        在SPI模式下,数据都是以字节(Byte)为单位进行传输的。此时SD卡作为从机设备,一般的操作是MCU发送带有参数的命令,SD卡接收到命令和参数后进行操作,并且返回响应,MCU根据返回的响应进行下一步操作。

 

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命令

SD卡的命令有6个字节(48位),由以下几部分组成:第一字节的最高位b7为起始位,始终为0,接下来为传输位,始终为1,b5-b0为命令代码;第2~5字节为命令的参数,共4个字节;最后一个字节的前7为CRC7校验位,最后一位为停止位,始终为1。

cmd

 

每一条命令都是从片选信号(CS)的下降沿开始,SD卡接收到指令以后,都需要有一个指令响应时间(NCR),一般需要8个到64个时钟周期。SPI的指令简记为CMD表示指令内容的十进制值,对于没有参数的指令,参数为内容要用0来填充。下表列出了SPI模式下常用的指令

命令 参数 响应类型 简写 描述
CMD0 0 R1 GO_IDLE_STATE 软件复位
CMD8 (*1) R7 SEND_IF_COND 发送MCU的电压范围,检测SD卡是否满足MCU的电压范围
ACMD41(*2) (*3) R1 SD_SEND_OP_COND 开始SD卡初始化和检测SD卡是否完成初始化
CMD9 0 R1 SEND_CSD 读取CSD寄存器的值
CMD10 0 R1 SEND_CID 读取CID寄存器的值
CMD12 0 R1b STOP_TRANSMISSION 停止读取操作
CMD16 数据块长度[31:0] R1 SET_BLOCKLEN 设置数据块长度(*4)
CMD17 地址[31:0] R1 READ_SINGLE_BLOCK 读取单个数据块
CMD18 地址[31:0] R1 READ_MULTIPLE_BLOCK 读取多个块数据
CMD24 地址[31:0] R1 WRITE_BLOCK 写单个块数据
CMD25 地址[31:0] R1 WRITE_MULTIPLE_BLOCK 写多个块数据
CMD55 0 R1 APP_CMD 定义下一条命令为ACMD命令
CMD58 0 R3 READ_OCR 读取OCR寄存器
*1 : [31:12]为0,[11:8]为VHS值,[7:0]Check Pattern,可以为任意值,用于检测SD卡通信是否正确的。若该命令的返回值最后一字
       节和Check pattern值相同,说明SPI通信成功。
*2 : 发送ACMD之前需要先发送CMD55命令。
*3 : [31],[29:0]为0,[30]位为HCS,若MCU支持SDHC或者SDXC卡类型,HCS为0,支持则为1。
*4 : 对于SDSC卡类型,块长度有CMD16来设定。而对于SDHC和SDXC卡类型,数据块长度始终为512字节,此命令不会影响数据块长度。

 

响应

不同的命令,响应的格式和长度也不同。

R1是一个1字节长的的响应,最高位始终为0,其余各位为状态位(如右图所示)。R3响应的格式是R1+OCR寄存器,OCR是一个32位的寄存器,存放的是SD卡的操作电压范围。R7响应也是由R1+32位长的数据组成。

 

另一个响应是R1b响应,他是在R1的基础上增加了一个忙碌(Busy)状态指示:当R1的值为0时,表示SD卡处于忙碌状态,而当R1为任何不为0的值时,SD卡才能开始接收下一条命令。

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三、初始化操作

      SPI模式下的初始化操作有:上电->进入SPI模式(CMD0)->检测当前MCU电压是否符合SD卡的要求(CMD8)->开始初始化(ACMD41)->读取卡类型(CMD58)

初始化过程中,SD卡时钟信号周期需为100KHz~400KHz之间,不能大于400KHz。

 

上电

      当电压达到SD卡的最小工作电压的后,MCU必须使CS,DI为高电平,输出最少74个时钟脉冲后,才能开始发送第一个命令。

初始化过程

     SD卡上电后处于SD Bus模式,使CS保持为0,并且发送CMD0命令,SD卡就会进入到SPI模式。在SPI模式下,命令的CRC校验功能默认是禁止的(CMD8命令

除外),但是发送第一个CMD0命令时,SD卡是处于SD Bus模式,该模式下CRC校验功能是启动的,因此第一个CMD0命令必须要有正确的CRC校验。正确的CMD0命

令应为:0x40, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x95。

      CMD8用于检测SD卡接口电压是否满足要求,该命令的参数包括当前MCU接口的电压范围VHS([11:8]),以及用于检测通信的Check Pattern([7:0])。如果SD

卡能满足当前MCU的接口电压,它就会返回VHS和Check Pattern的值。需要注意的是,CMD8的CRC校验值必须正确,假如CRC校验不对,SD卡返回的R1值中的

CRC错误位就会置1。

      ACMD41命令用于开始初始化SD卡及检测其是否完成初始化。该命令的参数HCS([30])表示MCU是否支持SDHC和SDXC,若支持HCS置1,反之置0。如果

ACDM41命令返回R1的值为0x01,说明SD卡正在初始化,MCU需要重复发送ACMD41,直到返回值R1为0。

      初始化完成后,通过发送CMD58指令读取卡的类型(OCR寄存器的CCS位[30]), CCS为1表示当前卡的类型为SDXC或者SDHC,为0表示卡的类型为SDSC。

     

四、数据读写操作

      MCU和SD卡间的数据交换都是以数据包为单位进行的。一个完整的数据包包括数据标识符(Token),数据块内容,CRC校验值。根据不同的命令,数据的起

始标识符会不一样,如右图所示。写入数据后,SD卡会立即返回一个数据响应(区别于命令响应),MCU可根据该响应来判断数据是否传输正确。

        对于SDSC卡类型,数据块的长度(字节为单位)可以通过CMD16来设定,最小1个字节,最大2048个字节。对于SDXC和SDHC卡,数据块长度始终为512字节,CMD16不会影响数据块的长度。
      SPI模式下,CRC校验功能是关闭的,因此CRC校验值可以为任意值。
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读取单个数据块

MCU发出读取单个数据块命令CMD17,若SD卡返回响应无错误(返回0),则开始等待数据块起始标识符0xFE, 然后开始读取数据块和CRC校验。

     

读取多个数据块

读取多个数据块操作和读取单个数据块的相似,先发送命令CMD18,然后开始等待数据块的起始标识符。需要停止读取操作时,发送CMD12命令,返回响应为0表示

SD卡处于忙碌状态,只有返回任何不为0的值后,MCU才能发送下一条命令。

 

写入单个数据块

当SD卡接收到写入单个数据块的命令CMD24后,首先发送数据块起始标识(0xFE),然后发送发送数据块内容和CRC校验,如果未启用CRC校验功能,CRC可以为

任意值。SD卡在接收到数据包后回返回数据响应,若无错误,则SD卡就开始写入数据,此时DO信号将被拉低,表示SD卡正处于忙碌状态,不能接收命令。只有当

DO不为0时,MCU才能发送下一条命令。

 

写入多个数据块

和写入单个数据块不同的是,当SD卡接收到写入多个数据块命令CMD25后,发送数据包起始符为(0xFC),  只有当DO不为0时,才能继续发送第二个数据包。如果要

结束写入操作,则发送停止发送标识符(0xFD)。

 

读取CID和CSD

读取CID和CSD寄存器的操作和读取单个数据块的操作相似,仅仅是命令和数据块长度不同。CID和CSD寄存器的定义请参照SD卡协议。

 

四、链接

1. How to Use MMC/SDC

2. [PDF]SD卡协议

3. SD/MMC时序图

转载于:https://www.cnblogs.com/mr-bike/p/3546228.html

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