SD卡和文件系統那些事兒

        最近在研究STM32F4的SD卡Fatfs文件系統，官方和開發板提供的例程完全可以使用，但是缺少了理論的支持，完全看不懂。所以在網上以及《零死角玩轉STM32》上整理了一些SD卡相關的基礎知識。

SD卡的分類

目前常用的存儲卡按照尺寸可分爲SD卡和micro SD卡（TF卡）（其實種類繁多，我只接觸過這兩種），按照容量可分爲標準容量SD（不大於2GB）、高容量SDHC（大於2GB，不大於32GB）和超大容量SDXC（大於32GB，不大於2TB），還可以按照傳輸速度進行劃分，SD2.0規範中分爲Class2，Class4，Class6和Class10，SD3.01規範中分爲USH-I和USH-II。

其實，瞭解了SD卡的分類，不同速度等級的應用場景，看懂SD卡上的標識，足可以應付在生活中使用SD卡，例如：行車記錄儀要求SD卡的速度等級爲Class10。

容量及磁盤格式對照表

容量等級	容量範圍	磁盤格式
SD	上限至2GB	FAT12、FAT16
SDHC	2GB至32GB	FAT32
SDXC	32GB至2TB	exFAT

 

 

速度等級及應用範圍

速度等級	速度（MB/S）	應用範圍
Class 0	—	低於Class 2和未標註Speed Class的情況
Class 2	最低寫入2.0 MB/S	觀看普通清晰度電視，數碼相機連拍
Class 4	最低寫入4.0 MB/S	流暢播放高清電視（HDTV），數碼相機連拍
Class 6	最低寫入6.0 MB/S	單反相機連拍，以及專業設備的使用
Class 10	最低寫入10 MB/S	全高清電視的錄製和播放
UHS-I	寫入50 MB/S以內，讀取104 MB/S以內	專業全高清電視實時錄製
UHS-II	寫入156 MB/S以內，讀取312 MB/S以內	未來世界

 

                                                                          SD上常見的標識

                                                                        

SD卡引腳

SD卡有9個引腳，TF卡有8個引腳，引腳順序是面向卡的引腳，左側第一個是引腳1，依次類推。

CMD：命令控制線，主機通過該線發送控制命令，SD卡也是通過該線傳輸應答信息。通過管腳的名稱可以看出它的功能，下面簡單介紹了一下CMD。

SD分爲卡識別階段和數據傳輸階段，兩個階段的時鐘是有區別的：

• 識別階段時鐘頻率FOD，最高400KHz。
• 數據傳輸模式時鐘頻率FPP，默認最高25MHz

SD卡忙狀態通過把D0拉低來表示。

SD卡寄存器

SD卡內部共有8個寄存器，必須通過命令來進行訪問，SDIO定義了64個訪問SD卡的命令。

SD卡寄存器

名稱	Bit寬度	描述
CID	128	卡識別號(Card Identification)
RCA	16	相對卡地址(Relative Card Address)
DSR	16	驅動級寄存器(Driver Stage Register)
CSD	128	卡的特定數據(Card Specific Data)
SCR	64	SD配置寄存器(SD Configuration Register)
OCR	32	操作條件寄存器(Operation Conditions Register)
SSR	512	SD狀態寄存器(SD Status)
CSR	32	卡狀態寄存器(Card Status)

SD卡數據包格式

SD卡有常規數據（8bit）和寬位數據（512bit）兩種格式的數據包。它先發低字節再發高字節，而每
個字節則是先發高位再發低位。

                

SD卡命令

SD命令格式，共計48位。依次爲：起始位、傳輸標誌、命令+地址信息/參數、CRC7校驗和終止位。

0	1	CONTENT	CRC	1
1	1	6+32	7	1

SD卡命令類型有四種：

• 無響應廣播命令（bc），發送到所有卡，不返回任務響應；
• 帶響應廣播命令（bcr），發送到所有卡，同時接收來自所有卡響應；
• 尋址命令（ac），發送到選定卡，DAT線無數據傳輸；
• 尋址數據傳輸命令（adtc），發送到選定卡，DAT線有數據傳輸；

在標準中定義了兩種類型的通用命令：特定應用命令（ACMD）和常規命令（GEN_CMD）

SD卡部分常用命令

命令序號	類型	參數	響應	縮寫	描述
基本命令（Class 0）
CMD0	bc	[31:0]填充位	—	GO_IDEL_STATE	復位所有的卡到idle狀態
CMD2	bcr	[31:0]填充位	R2	ALL_SEND_CID	通知所有的卡通過CMD線返回CID值。
CMD3	bcr	[31:0]填充位	R6	SEND_RELATIVE_ADDR	通知所有卡發佈新RCA。
CMD4	bc	[31:16]DSR[15:0]填充位	—	SET_DSR	編程所有卡的DSR。
CMD7	ac	[31:16]RCA[15:0]填充位	R1b	SELECT/DESELECT_CARD	選擇/取消選擇RCA地址卡。
CMD8	bcr	[31:12]保留位 [11:8]VHS [7:0]檢查模式	R7	SEND_IF_COND	發送SD卡接口條件，包含主機支持的電壓信息，並詢問卡是否支持。
CMD9	ac	[31:16]RCA[15:0]填充位	R2	SEND_CSD	選定卡通過CMD線發送CSD內容。
CMD10	ac	[31:16]RCA[15:0]填充位	R2	SEND_CID	選定卡通過CMD線發送CID內容。
CMD12	ac	[31:0]填充位	R1b	STOP_TRANSMISSION	強制卡停止傳輸。
CMD13	ac	[31:16]RCA[15:0]填充位	R1	SEND_STATUS	選定卡通過CMD線發送它狀態寄存器
CMD15	ac	[31:16]RCA[15:0]填充位	—	GO_INACTIVE_STATE	使選定卡進入“inactive”狀態
面向塊的讀操作（Class 2）
CMD16	ac	[31:0]塊長度	R1	SET_BLOCK_LEN	對於標準SD卡，設置塊命令的長度，對於SDHC卡塊命令長度固定爲512字節。
CMD17	adtc	[31:0]數據地址	R1	READ_SINGLE_BLOCK	對於標準SD卡，讀取SET_BLOCK_LEN長度字節的塊，對於SDHC卡，讀取512字節的塊。
CMD18	adtc	[31:0]數據地址	R1	READ_MULTIPLE_BLOCK	連續從SD卡讀取數據塊，直到被CMD12中斷。塊長度同CMD17。
面向塊的寫操作（Class 4）
CMD24	adtc	[31:0] 數據地址	R1	WRITE_BLOCK	對於標準SD卡，寫入SET_BLOCK_LEN長度字節的塊，對於SDHC卡，寫入512字節的塊。
CMD25	adtc	[31:0]數據地址	R1	WRITE _ MULTIPLE _BLOCK	連續向SD卡寫入數據塊，直到被CMD12中斷。塊長度同CMD17。
CMD27	adtc	[31:0] 填充位	R1	PROGRAM_CSD	對CSD的可編程位進行編程。
擦除命令（Class 5）
CMD32	ac	[31:0] 數據地址	R1	ERASE_WR_BLK_START	設置擦除的起始塊地址。
CMD33	ac	[31:0]數據地址	R1	ERASE_WR_BLK_END	設置擦除的結束塊地址。
CMD38	ac	[31:0] 填充位	R1b	ERASE	擦除預先選定的塊。
加鎖命令（Class 7）
CMD42	adtc	[31:0]保留	R1	LOCK_UNLOCK	加鎖/解鎖SD卡。
特定應用命令（Class 8）
CMD55	ac	[31:16]RCA[15:0]填充位	R1	APP_CMD	指定下個命令爲特定應用命令，不是標準命令。
CMD56	adtc	[31:1] 填充位 [0] 讀/寫	R1	GEN_CMD	通用命令，或者特定應用命令中，用於傳輸一個數據塊，最低位1表示讀數據，爲0表示寫數據。
SD卡特定應用命令
ACMD6	ac	[31:2] 填充位 [1:0] 總線寬度	R1	SET_BUS_WIDTH	定義數據總線寬度（‘00’=1bit，‘10’=4bit）。
ACMD13	adtc	[31:0] 填充位	R1	SD_STATUS	發送SD狀態.
ACMD41	bcr	[31] 保留位 [30] HCS（OCR[30]）[29：24] 保留位[23：0]VDD電壓（OCR[23:0]）	R3	SD_SEND_OP_COND	主機要求卡發送它的支持信息（HCS）和OCR寄存器內容。
ACMD51	adtc	[31:0] 填充位	R1	SEND_SCR	讀取配置寄存器SCR.

響應類型

SD卡有R1、R2、R3、R6、R7這幾種響應類型，不同的命令對應的響應類型是不一樣的。

SD卡響應類型及格式

R1（正常響應命令）
描述	起始位	傳輸位	命令號	卡狀態					CRC7		終止位
Bit	47	46	[45:40]	[39:8]					[7:1]		0
位寬	1	1	6	32					7		1
值	“0”	“0”	X	X					X		“1”
備註	如果有傳輸到卡的數據，那麼在數據線可能有busy信號。
R2（CID、CSD寄存器）
描述	起始位	傳輸位	保留	[127:1]							終止位
Bit	135	134	[133:128]	127							0
位寬	1	1	6	X							1
值	“0”	“0”	“111111”	CID或者CSD寄存器[127:1]位的值							“1”
備註	CID寄存器內容作爲CMD2和CMD10響應，CSD寄存器內容作爲CMD9響應。
R3（OCR寄存器）
描述	起始位	傳輸位	保留	OCR寄存器				保留			終止位
Bit	47	46	[45:40]	[39:8]				[7:1]			0
位寬	1	1	6	32				7			1
值	“0”	“0”	“111111”	X				“1111111”			“1”
備註	OCR寄存器的值作爲ACMD41的響應。
R6（發佈的RCA寄存器響應）
描述	起始位	傳輸位	CMD3	RCA寄存器		卡狀態位				CRC7	終止位
Bit	47	46	[45:40]	[39:8]						[7:1]	0
位寬	1	1	6	16		16				7	1
值	“0”	“0”	“000011”	X		X				X	“1”
備註	專用於命令CMD3的響應。
R7（發佈的RCA寄存器響應）
描述	起始位	傳輸位	CMD8	保留	接收電壓		檢測模式			CRC7	終止位
Bit	47	46	[45:40]	[39:20]	[19:16]		[15:8]			[7:1]	0
位寬	1	1	6	20	4		8			7	1
值	“0”	“0”	“001000”	“00000h”	X		X			X	“1”
備註	專用於命令CMD8的響應，返回卡支持電壓範圍和檢測模式。

SD卡狀態

SD卡的操作模式和狀態如下表所示。接下來的兩張圖片也卡模式和數據傳輸模式下的狀態切換。

SD卡模式及狀態

操作模式	SD卡狀態
無效模式（Inactive）	無效狀態（Inactive State）
卡識別模式（Card identification mode）	空閒狀態（Idle State）
	準備狀態（Ready State）
	識別狀態（Identification State）
數據傳輸模式（Data transfer mode）	待機狀態（Stand-by State）
	傳輸狀態（Transfer State）
	發送數據狀態（Sending-data State）
	接收數據狀態（Receive-data State）
	編程狀態（Programming State）
	斷開連接狀態（Disconnect State）

                                           

                                          

現在就可以通過SD卡的狀態、模式、命令、響應等信息來仔細閱讀STM32的sdio.c文件了。由於我也不太懂所以，還沒有具體的內容來提供。接下來我們去看看SD卡是如何Fatfs關聯上的。

文件系統Fatfs

在Fatfs下面有diskio.c這個文件，這個文件中定義了五個接口，被ff.c文件調用，ff.c文件提供了open(),close(),write(),read()等等文件系統常用的接口。Fatfs的移植就是主要是更改diskio.c這個文件，通過五個接口來適配不同的存儲介質，如SD卡、U盤、Flash等。

• DSTATUS disk_status (BYTE pdrv)；
• DSTATUS disk_initialize ( BYTE pdrv )；
• DRESULT disk_read (BYTE pdrv, BYTE *buff,DWORD sector, UINT count  )；
• DRESULT disk_write (BYTE pdrv,   const BYTE *buff, DWORD sector, UINT count)；
• DRESULT disk_ioctl (BYTE pdrv, BYTE cmd,void *buff )；

在這5個接口中，有一個共同的形參pdrv，他就是不同的存儲介質SD卡、U盤、Flash。

結語

ST的例程，開發板的例程，我們完全可以拿來稍加修改就可以使用。我們完全可以不明就裏的拿來就用，好用就行，能交差就行，但是不明不白的拿來就用使我心裏很不舒服，必須簡單的弄明白原理，弄清楚結構，這樣除了問題也能更快的定位。上面寫了那麼多，我也還是沒有完全弄明白，隨用隨學吧！