使用MM32F3270的SDIO驱动SD卡

SDIO（Secure Digital Input and Output）中文名称：安全数字输入输出，SDIO在SD标准上定义了一种外设接口。SDIO主要有两类应用——可移动和不可移动。可移动设备作为Palm和Windows Mobile的扩展设备，用来增加蓝牙、照相机、GPS和802.11b功能。不可移动设备遵循相同的电气标准，但不要求符合物理标准。某些手机内包含通过SDIO连接CPU的802.11芯片。此举将“珍贵”的I/ O管脚资源用于更重要的功能。
蓝牙、照相机、GPS和802.11b设备有专为它们定义的应用规范。这些应用规范与为PCI和USB设备定义的类规范很相像。它们允许任何宿主设备与任意外设“通话”，只要它们都支持应用规范。
SDIO和SD卡规范间的一个重要区别是增加了低速标准。SDIO卡只需要SPI和1位SD传输模式。低速卡的目标应用是以最小的硬件开支支持低速I/ O能力。低速卡支持类似调制解调器、条码扫描仪和GPS接受器等应用。对“组合”卡(存储器+ SDIO)而言，全速和4位操作对卡内存储器和SDIO部分都是强制要求的。
MM32F3270系列控制器支持SDIO接口，本文在接下来会对MM32F3270的SDIO进行介绍，并通过实验演示SDIO驱动SD卡。

1. SDIO 简介

SD/MMC/SDIO 控制器是 AMBA AHB 从外设，用于控制外部 SD/MMC/SDIO 卡，并支持 DSP/MCU的读/写访问。它作为主机与连接的 SD/MMC/SDIO 卡进行通信。所述控制器是基于 AMBA HCLK 域的完全同步设计。

1.1 SDIO 功能框图

图1 SDIO功能框图

1. AHB 从模式接口：为 32 位 AHB 总线提供接口。
2. FIFO 控制：产生握手信号到 DMA 硬件接口，并控制对外部数据 FIFO（128x32）的读/写访问。
3. 总线接口单元：包括控制寄存器和命令缓冲单元。
4. 多重块控制：控制多块数据的读写。
5. 时钟控制：通用时钟基于寄存器中定义的分频值。
6. 命令通路：从总线接口单元或 irq 响应中加载新的命令，然后发送命令，并接收响应 crc7 检查和 8 个空时钟。
7. 数据通路：发送和接收数据，用 crc16 检查。
8. 缓冲接口：控制对数据 FIFO 的读写控制信号。

1.2 SDIO 功能描述

1. 完全兼容 SD 记忆卡规格 1.0
2. 完全兼容 SD 存储卡规格 1.1（高速）
3. 完全兼容 SD 记忆卡规格 2.0（SDHC）
4. 完全兼容 MMC 系统规格 2.0～4.2
5. 完全兼容 SDIO 存储卡规格 1.1.0
6. 标准的 MMC 模式接口支持
7. 可编程时钟速率
8. 自动命令/响应 CRC 生成/检查
9. 自动数据 CRC 生成/检查
10. 可编程超时检测
11. AMBA 2.0 32 位 AHB 接口
12. 用于 AHB 数据访问的总共外部 128*32 数据 FIFO
13. 32 位 DMA 硬件接口，用于更快的 DMA 访问
14. DMA 接口可以配置为启用/禁用
15. DMA 请求是可配置的
16. 组合中断输出

2. SD 存储卡

2.1 Read-Write 属性

根据 Read-Write 属性不同可分为两种类型的 SD 存储卡：

1. 可读可写（RW）卡（FLASH， OTP， MTP）。这些卡通常作为空白媒介来售卖，用于海量终端用户的视频、音频或数字图像记录的存储。
2. 只读存储卡（ROM）。这些卡是用固定的数据内容生产出来的，它们通常用作软件、音频、视频等的传播媒介。

2.2 电源电压

根据工作电源电压不同可分为两种类型的 SD 存储卡：

1. 高电压 SD 存储卡，可以在 2.7-3.6V 的电压范围内工作；
2. 双电压 SD 存储卡，可以在 1.6-3.6V 的电压范围内工作。

2.3 卡容量

根据卡容量不同可分为两种类型的 SD 存储卡：

1. 标准容量的 SD 存储卡支持最大 2G 字节的容量。所有版本的物理规格都定义了标准容量 SD 存储卡；
2. 高容量 SD 存储卡支持超过 2G 字节的容量，此版本规范限制容量高达 32GB。高容量 SD 存储卡是物理层规范版本 2.00 中新定义的。

2.4 传输速度

定义了四种速度等级，表示 SD 卡的最低性能：

1. Class0：这类卡不指定性能；
2. Class2：速度不低于 2MB/s；
3. Class4：速度不低于 4MB/s；
4. Class6：速度不低于 6MB/s；

大容量 SD 存储卡应支持速度等级规范，性能大于或等于 2 级。

2.5 总线拓扑

SD 卡系统定义了两种通信协议： SD 和 SPI。主机系统可以选择任意一种。当收到 reset 命令的时候， SD 卡通过主机的信息来决定使用何种模式，并且之后的通讯都会使用相同模式。不推荐多卡槽用共同的总线信号。一个单独的 SD 总线应该连接一个单独的 SD 卡。 SD 总线包含下面的信号：

1. CLK：时钟信号；
2. CMD：双向命令/响应信号；
3. DAT0-DAT3：双向数据信号；
4. Vdd， Vss1， Vss2：电源和地信号。

2.6 总线协议

SD 总线通信：

1. Command：命令是一次操作开始的令牌，从主机发送到一个卡片（编址命令）或者连接到主机的所有卡片（广播命令）。命令在 CMD 线上连续传输。
2. Response：响应是从已寻址的卡或从所有连接上的卡发送到主机的令牌，作为对先前接收到指令的应答。响应在 CMD 线上连续传输。
3. Data：数据可以通过 DATA 线双向传输。

卡片寻址通过使用会话地址来实现，会话地址会在初始化阶段分配给卡。 SD 总线上的基本交互是命令/响应交互。这种总线交互直接在命令或者响应的结构里面传输他们的信息。此外，某些操作还有数据令牌。 SD 卡发送或接收的数据在块（block）中完成。数据块以 CRC 位来保证传输成功。目前有单块和多块操作。

注：多块操作模式在快速写操作时更好一点。多块传输在 CMD 线上产生 stop 命令时结束。主机端可以配置数据传输是单线还是多线。

SDIO“无响应”和“无数据”操作

SDIO（多）数据块读操作

SDIO（多）数据块写操作

注：当有 Busy 信号时， SDIO DAT0 被拉低， SDIO 将不会发送任何数据。

SDIO连续读操作

SDIO连续写操作

3. 卡的初始化以及识别过程

初始化进程以命令 ACMD41 作为开始，通过设置工作条件和 OCR 来进行。 HCS（HighCapacitySupport）位为 1 表示主机支持高容量 SD 卡。卡通过 OCR 的 busy 位来通知主机 ACMD41 的初始化完成了。 busy 位为 0表示卡仍然在初始化；为 1 表示已经完成初始化。主机会重复发送 ACMD41，直到 busy 位被置 1。卡片旨在第一个 ACMD41 的命令时，检查工作条件和 OCR 里面的 HCS 位。当重复 ACMD41 的时候，除了 CMD0，主机不再发其他命令。接着主机会发送命令 ALL\_SEND\_CID（CMD2），来获得卡的 CID 号。未识别的卡（处于Ready 状态的）发送自己的 CID 作为响应。当卡发送 CID 后，进入卡识别（Identification）状态。之后主机发送 SEND\_RELATIVE\_ADDR（CMD3）命令要求卡发布新的相对地址（RCA），一旦收到 RCA，卡就会变为等待（Stand-by）状态。主机会重复识别进程，为系统中每个卡循环发送 CMD2 和 CMD3。对于 SDI/O 卡而言，总线被激活后 SDIO 卡主机先发送 IO\_SEND\_OP\_COND（CMD5）命令，得到的响应是卡的工作条件寄存器的内容，之后再同上发送 CMD3 命令，执行后续操作。

SDIO流程图

4. MM32F3270 SDIO驱动SD卡

MM32的SDIO支持SD/MMC/SDIO卡，其中SDIO卡与SD存储卡是有区别的。SDIO卡实际上就是利用SDIO接口的一些模块，插入SD的插槽中，扩展设备的功能，如：SDIO wifi, SDIO CMOS相机等。SD存储卡就是平时常见的用于存储数据的卡。

本实验中使用的Micro SD卡属于SDSC(标准容量，最大2G)卡。介绍卡的种类是因为SD协议中的命令也支持这三种类型的卡，因此对MM32中的SDIO接口进行初始化后，上电后就要对接入的卡进行检测、分类，这个过程是通过向卡发送一系列不同的命令，根据卡不同的响应来进行分类。

本实验使用MM32F3270的SDIO对SD卡进行读写测试，首先填充一个块大小的存储器，通过写入操作把数据写入到 SD卡内，然后通过读取操作读取数据到另外的存储器，然后再对比存储器内容，判断读写操作是否正确。

实现的大概流程包括：初始化SDIO 外设以及GPIO，配置 SDIO 基本通信环境进入卡识别模式，通过命令处理后获取卡信息及状态。如果是SD卡正常则进行数据传输，接下来就可以进行读、写以及擦除操作，否则打印SD卡错误信息，不再进行后续操作。

硬件设计

实验使用MB-039开发板，主控芯片为MM32F3277G9P，如图是MB-039开发板的SDIO/TF卡接口部分，完整原理图可以通过官网下载。

各个信号引脚对应如下：

程序设计

根据 SD 卡识别过程和数据传输过程理解 SD 卡驱动函数代码。这部分代码内容也较多，在本文中只对部分核心函数介绍其功能，详细代码可到灵动官网下载参考。

SPIO配置初始化

void SDIO_ConfigInit(void)
{
    SDIO_InitTypeDef SDIO_InitStruct;

    SDIO_PIN_GPIO_Config();
    SDIO_Detect_Pin_Config();

    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBENR_SDIO, ENABLE);
    SDIO_DeInit();
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBENR_SDIO, DISABLE);
    RCC_AHBPeriphClockCmd(RCC_AHBENR_SDIO, ENABLE);

    SDIO_ClockSet(0x2F);
    SDIO_StructInit(&SDIO_InitStruct);

    SDIO_InitStruct.SDIO_OPMSel = SDIO_MMC_CTRL_OPMSel;
    SDIO_InitStruct.SDIO_SelPTSM = SDIO_MMC_CTRL_SelSM;
    SDIO_InitStruct.SDIO_DATWT = SDIO_MMC_CTRL_DATWT;
    SDIO_Init(&SDIO_InitStruct);

    SDIO_CRCConfig(SDIO_MMC_CRCCTL_CMD_CRCEN | SDIO_MMC_CRCCTL_DAT_CRCEN, ENABLE);
}
void show_sdcard_info(void)
{
    switch(SDCardInfo.CardType) {
        case SDIO_STD_CAPACITY_SD_CARD_V1_1:
            printf("Card Type:SDSC V1.1\r\n");
            break;
        case SDIO_STD_CAPACITY_SD_CARD_V2_0:
            printf("Card Type:SDSC V2.0\r\n");
            break;
        case SDIO_HIGH_CAPACITY_SD_CARD:
            printf("Card Type:SDHC V2.0\r\n");
            break;
        case SDIO_MULTIMEDIA_CARD:
            printf("Card Type:MMC Card\r\n");
            break;
    }
    printf("Card ManufacturerID:%d\r\n", SDCardInfo.SD_cid.ManufacturerID); //The manufacturer ID
    printf("Card RCA:%d\r\n", SDCardInfo.RCA);                          //Card relative address
    printf("Card Capacity:%d MB\r\n", (u32)(SDCardInfo.CardCapacity >> 20));
    printf("Card BlockSize:%d\r\n\r\n", SDCardInfo.CardBlockSize);
}

SD卡的初始化主要进行卡识别和卡状态获取，定义SD\_Init()如下：

SD_Error SD_Init(void)
{
    u32 clk;
    RCC_ClocksTypeDef bclk;
    u32 targetFreq;
    __IO SD_Error errorstatus = SD_OK;
    u8 clkdiv = 0;
    INTX_DISABLE();


    errorstatus = SD_PowerON();                 //SD Power On
    if (errorstatus != SD_OK) {
        return errorstatus;
    }
    errorstatus = SD_InitializeCards();         //Initialize SD Card
    if (errorstatus != SD_OK) {
        return errorstatus;
    }
    errorstatus = SD_GetCardInfo(&SDCardInfo);  //Get card information
    if (errorstatus != SD_OK) {
        return errorstatus;
    }
    errorstatus = SD_SelectDeselect((u32)(SDCardInfo.RCA << 16)); //Select the SD card
    if (errorstatus != SD_OK) {
        return errorstatus;
    }
    errorstatus = SD_EnableWideBusOperation(1); //4 bit width, if it is an MMC card, you cannot use 4 bit mode
    if ((errorstatus != SD_OK)) {
        if( (SDIO_MULTIMEDIA_CARD == CardType)) {
            if (SDCardInfo.CardType == SDIO_STD_CAPACITY_SD_CARD_V1_1 || SDCardInfo.CardType == SDIO_STD_CAPACITY_SD_CARD_V2_0) {
                clkdiv = 0; //V1.1/V2.0 card with the maximum setting of 48/4=12Mhz
            }
            else {
                clkdiv = 1; //For other cards such as SDHC, the maximum setting is 48/2=24Mhz
            }
            if(clkdiv != 0) {
                targetFreq = 24000000;

            }
            else {
                targetFreq = 12000000;
            }
            RCC_GetClocksFreq(&bclk);
            clk = (bclk.HCLK_Frequency / 2 / 2 / targetFreq - 1);
            SDIO_ClockSet(clk);

        }
        else {
            __NOP();
        }
    }
    else {
        if (SDCardInfo.CardType == SDIO_STD_CAPACITY_SD_CARD_V1_1 || SDCardInfo.CardType == SDIO_STD_CAPACITY_SD_CARD_V2_0) {
            clkdiv = 0;
        }
        else {
            clkdiv = 1;
        }
        if(clkdiv != 0) {
            targetFreq = 24000000;

        }
        else {
            targetFreq = 12000000;
        }
        RCC_GetClocksFreq(&bclk);
        clk = (bclk.HCLK_Frequency / 2 / 2 / targetFreq - 1);
        SDIO_ClockSet(clk);

    }
    INTX_ENABLE();
    return errorstatus;
}

1. SD\_PowerON()函数用于查询卡的工作电压和时钟控制配置，并返回 SD\_Error 类型错误，该函数是整个 SD 识别的关键函数。
2. SD\_InitializeCards()函数初始化SD卡，并将其置入就绪状态；
3. SD\_GetCardInfo()函数获取SD卡的信息；
4. SD\_SelectDeselect()选择SD卡，发送CMD7命令，选择具有相对地址(RCA)的卡作为ADDR；
5. SD\_EnableWideBusOperation()配置SDIO数据宽度；
6. SDIO\_ClockSet()配置SDIO的时钟频率。

获取SD卡信息及数据的函数定义如下：

void read_sd_card_info(void)
{    u16 i = 5;
    SD_Error result;
    u32 sd_size;

    SDIO_ConfigInit();
    printf("SDCARD TEST\r\n");
    while(1) {

        result = SD_Init();

        if(result == SD_OK) {
            break;
        }
        printf("SD Card Error!\r\n");

        DELAY_Ms(1);
    }
    show_sdcard_info();
    i = 5;
    while(i--) {
        if(SD_ReadDisk(&vbuf[0], 0, 1) == 0) { 
            printf("UART Sending Data...\r\n");
            printf("SECTOR 0 DATA:\r\n"); 
            for(sd_size = 0; sd_size < 512; sd_size++) {
                printf("%02x ", vbuf[sd_size]);  
            }
            printf("\r\nDATA ENDED\r\n");
            printf("UART Send Data Over!\r\n");
        }
        DELAY_Ms(50);
    }
}

实验演示

在MB-039开发板的SDIO/TF卡槽插入SD卡，运行程序，串口调试助手显示如下： 

如果SD卡可用，串口调试助手会打印SD卡的信息，包括卡类型、生产ID、RCA、容量和块大小，接着打印扇区0的数据，会连续打印5次该部分内容。

本次实验的例程可以通过MindMotion的官网下载MM32F3270 Lib\_Samples：
https://www.mindmotion.com.cn/products/mm32mcu/mm32f/mm32f\_mainstream/mm32f3270/

工程路径如下：
~MM32F327x\_Samples\ LibSamples\SDIO\SDIO\_ReadSDCardInfo 可以看到详细的样例与功能操作。