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STM32F4X SDIO(二) SDIO协议

上一节简单介绍了SD卡的分类，本节将会介绍SD卡的通信协议，也就是SDIO协议。

STM32F4X SDIO（二）SDIO协议

  • SD 卡管脚和寄存器
    • SD卡管脚分布
    • SD卡通信协议
    • SD卡寄存器
    • SD卡内部结构
  • SDIO总线
    • SDIO总线拓扑
    • SDIO总线协议
      • SDIO协议的基本结构
      • SDIO协议数据传输
      • SDIO协议命令与响应的结构
        • 命令结构
        • 响应结构
          • 短响应
          • 长响应
      • SDIO数据包格式
        • 常规数据包格式(8bit 宽)
          • 1线模式
          • 4线模式
        • 宽位数据包格式
          • 1线模式
          • 4线模式

SD 卡管脚和寄存器

SD卡管脚分布

我们以标准SD卡为例，先介绍一下SD卡的管脚。我们翻开SD卡的背面就能看到SD卡的管脚分布。STM32F4X SDIO(二) SDIO协议_第1张图片
STM32F4X SDIO(二) SDIO协议_第2张图片

SD卡通信协议

SD卡的通信协议有两种，分别是SDIO协议和SPI协议，本节主要讲的是SDIO协议。

管脚 SDIO协议 SPI协议
名称 类型 描述 名称 类型 描述
1 CD/DAT3 输入输出(推挽模式) 检测/数据线3 CS 输入 片选(低电平有效)
2 CMD 输入输出(推挽模式) 命令/响应 DI 输入 数据输入
3 VSS1 输入 接电源地 VSS 输入 接电源地
4 VDD 输入 电源 VDD 输入 电源
5 CLK 输入 时钟 SCLK 输入 时钟
6 VSS2 输入 接电源地 VSS2 输入 接电源地
7 DAT0 输入输出(推挽模式) 数据线0 DO 输出(推挽模式) 数据输出
8 DAT1 输入输出(推挽模式) 数据线1 保留 x x
9 DAT2 输入输出(推挽模式) 数据线2 保留 x x

SD卡寄存器

每个SD卡内部都有8个寄存器，寄存器的介绍如下

名字 位数 描述
CID 128位 卡识别号；用来识别的卡的个体号码
RCA 16位 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，SPI 模式不使用
DSR 16位 驱动级寄存器；配置卡的输出驱动
SCR 64位 SD 配置寄存器；SD 卡的特殊能力信息
CSD 128 卡的具体数据；卡的操作条件信息
OCR 32位 操作条件寄存器
SSR 512 SD 状态；卡专有特征的信息
CSR 32 卡状态；卡状态信息
有关以上寄存器的详细信息在后面的章节会介绍

SD卡内部结构

下图为SD卡的内部结构，其结构主要可以分成以下5部分
STM32F4X SDIO(二) SDIO协议_第3张图片

  • 外部接口(1):外部接口是用户实际能看到的结构，在SD卡的背面，其作用是将内部的管脚引出来，与设备进行连接。
  • 寄存器(2):SD卡内部的寄存器组，SD卡的信息，地址、初始化操作都需要通过读写SD卡的寄存器完成。
  • SD卡接口控制器(3):SD卡内部的控制器，主要是处理用户的发下来命令、数据以及给用户返回SD卡的一些状态，可以理解成一个封装在SD卡内部的MCU。
  • 存储器接口(4):SD卡内部的存储器接口芯片，作用是管理SD卡的存储阵列。
  • 存储阵列:SD卡的数据存储都放在存储阵列中，SDHC的SD卡每个存储阵列大小为512字节。

SDIO总线

SDIO总线拓扑

STM32F4X SDIO(二) SDIO协议_第4张图片
一个SDIO控制器上运行连接多个SD卡设备，此时SDIO控制器相当于是主机，SD卡相当于是从机。在SD卡初始化的过程中，SD卡会给主机返回一个地址(RCA),这个地址就是代表该SD卡的在系统中的唯一编号,可以理解成I2C协议中的从设备地址。

SDIO总线协议

SDIO协议的基本结构

SDIO总线协议是基于命令和数据流，在开始传输数据之前会有一个起始位，通常为0，结束时有一个停止位，通常为1.

  • 命令(Command):命令是主机发送给SD卡，通过CMD信号线进行传输，其作用向SD卡发起一个操作。
  • 响应((Response):响应是SD卡给主机，也是通过CMD线进行传输，作为收到命令后的操作，有些命令可以没有响应。
  • 数据((Data):数据的传输是双向的，通过数据线进行传输。

STM32F4X SDIO(二) SDIO协议_第5张图片

  • 没有响应的命令(1):对于没有响应的命令来说，主机只需要往CMD信号线上传输命令即可，不需要等待接收SD卡的响应。
  • 有响应的命令(2):对于有响应的命令，主机在CMD线上传输完命令之后，需要等待接收SD卡返回的响应，也是在CMD线上接收响应。

SDIO协议数据传输

SD卡的数据传输都是以块为单位进行传输，SDHC容量的SD卡，每个块大小为512字节。
STM32F4X SDIO(二) SDIO协议_第6张图片
数据块的后面需要一个CRC来保证数据的准确性，CRC由SD卡或者SDIO硬件自动产生，在数据写入时需要检查busy信号，因为数据写入到SD卡的存储阵列需要时间。多块数据的写入还需要主机给从机发送停止命令让SD卡停止接收数据，SD卡的读操作类似。

SDIO协议命令与响应的结构

命令结构

STM32F4X SDIO(二) SDIO协议_第7张图片

  • 每一个命令的开始都要发送一个起始位，起始位的电平为低电平。
  • 每一个命令会都会接一个传输位，通常为1，代表主机发送命令。
  • CMD命令带参数传输，其参数位数为32位
  • 每个CMD都会一个7位的CRC校验码，保证命令的传输没有错误。
  • 结束时发送一个结束位，结束位电平为高电平。
  • 命令的总长度为48位。

命令格式:起始位(1bit)+传输位(1bit)+参数(32bit)+CRC(7bit)+停止位(1bit)

响应结构

SD卡的响应分为两种，分别是短响应(48bit)和长响应(136bit)
STM32F4X SDIO(二) SDIO协议_第8张图片

短响应
  • 每一个短响应发送一个起始位，起始位的电平为低电平。
  • 每一个短响应都会接一个传输位，通常为0，代表响应。
  • 接着是45位的响应数据，CRC(7bit)包含在响应数据里面
  • 结束时发送一个结束位，结束位电平为高电平。
  • 短响应的总长度为48位。
    短响应格式:起始位(1bit)+传输位(1bit)+响应数据(45bit)+停止位(1bit)
长响应
  • 每一个长响应发送一个起始位，起始位的电平为低电平。
  • 每一个长响应都会接一个传输位，通常为0，代表响应。
  • 接着是133位的响应数据，CRC(7bit)包含在响应数据里面
  • 结束时发送一个结束位，结束位电平为高电平。
  • 长响应的总长度为136位。
    短响应格式:起始位(1bit)+传输位(1bit)+响应数据(133bit)+停止位(1bit)

SDIO数据包格式

SDIO协议的数据包有两种格式，分别是常规数据包格式(8bit 宽)和宽位数据包格式

常规数据包格式(8bit 宽)

常规数据包格式又可以分为两种，分别是1线和4线模式

1线模式

STM32F4X SDIO(二) SDIO协议_第9张图片

  • 在数据发送前，需要发送一个起始位，低电平有效
  • 将数据按照8bit的格式一个一个在DATA0数据线上发送出去
  • 当所有数据传输完成后，需要发送一个CRC校验码，保证数据准确
  • 最后发送一个停止位，高电平有效
4线模式

STM32F4X SDIO(二) SDIO协议_第10张图片

  • 在数据发送前，需要发送一个起始位，低电平有效
  • 当发送一个字节时，需要将字节的高4位先发送，最后再发送字节的低4位。字节的发送按照DATA3:bit7 bit3,DATA2:bit6 bit2,DATA1:bit5 bit1,DATA0:bit4 bit0的格式进行发送
  • 当所有数据传输完成后，每根数据线上需要发送一个CRC校验码，保证数据准确
  • 最后发送一个停止位，高电平有效。
宽位数据包格式

宽位数据包格式也可以分为两种，分别是1线和4线模式。其特点跟常规数据包模式类似。

1线模式

STM32F4X SDIO(二) SDIO协议_第11张图片

  • 在数据发送前，需要发送一个起始位，低电平有效
  • 将数据按照高位在前，低位在后的格式在DATA0数据线上发送出去
  • 当所有数据传输完成后，需要发送一个CRC校验码，保证数据准确
  • 最后发送一个停止位，高电平有效
4线模式

STM32F4X SDIO(二) SDIO协议_第12张图片

  • 在数据发送前，需要发送一个起始位，低电平有效
  • 按照高4位在前，低4位在后的格式依次在数据线上发送
  • 当所有数据传输完成后，每根数据线上需要发送一个CRC校验码，保证数据准确
  • 最后发送一个停止位，高电平有效。

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