STM32利用SPI读写SD卡的程序详解

关于SD卡的基础知识这里不做过多陈述，如果有对这方面感兴趣的朋友可以直接百度一下，有很多讲SD卡的文章，这里主要是针对SD卡的读写程序实现做一些详细说明。

SD卡的读写驱动程序是运用FATFS的基础，学了FATFS就可以在SD卡上创建文件夹及文件了。

我们先从main文件了解一下程序的执行流程

int main(void)

{

  u16 i; 

  USART1_Config();

  for(i=0;i<1536;i++)

     send_data[i]='D';

  switch(SD_Init())

  {

  case 0: 

  USART1_Puts("\r\nSD Card Init Success!\r\n");

break;

  case 1:  

        USART1_Puts("Time Out!\n");

        break;

  case 99: 

        USART1_Puts("No Card!\n");

        break;

  default: USART1_Puts("unknown err\n");

  break;

  }

  SD_WriteSingleBlock(30,send_data);

  SD_ReadSingleBlock(30,receive_data);

  if(Buffercmp(send_data,receive_data,512))

  {

    USART1_Puts("\r\n single read and write success \r\n");

  //USART1_Puts(receive_data);

  }

  SD_WriteMultiBlock(50,send_data,3);

  SD_ReadMultiBlock(50,receive_data,3);

  if(Buffercmp(send_data,receive_data,1536))

  {

USART1_Puts("\r\n multi read and write success \r\n");

//USART1_Puts(receive_data);

  }

  while(1);

}

这里程序流程比较简单：

1）配置串口，用作程序的调试输出

2）填充将要给SD卡写入数据的数组send_data。

3）初始化SD卡，根据返回SD_Init()返回值确定SD卡初始化是否完成。

4）单块读写实验，并比对读写出的数据是否相同。

5）多块读写实验，并比对读写出的数据是否相同。

下面我们开始对main函数中涉及到的用户函数的层层调用详细说明

SD初始化函数SD_Init()

为使程序更简洁，故只对SD卡进行检测，放弃对MMC卡的支持（此种卡市面上已几乎不再使用，本人手上也没有这种卡，所以写出驱动程序，也没有硬件进行检测是否可用）。

下面程序是部分对SD2.0卡检测的代码，完整代码中还有对1.0版本SD卡的初始化，可下载完整代码查看。

u8 SD_Init(void)

{

  u16 i;

  u8 r1;

  u16 retry;

  u8 buff[6];

  SPI_ControlLine();

  //SD卡初始化时时钟不能超过400KHz

  SPI_SetSpeed(SPI_SPEED_LOW);

  //CS为低电平，片选置低，选中SD卡

  SD_CS_ENABLE();

  //纯延时，等待SD卡上电稳定

  for(i=0;i<0xf00;i++);

  //先产生至少74个脉冲，让SD卡初始化完成

  for(i=0;i<10;i++)

  {

   //参数可随便写，经过10次循环，产生80个脉冲

   SPI_ReadWriteByte(0xff);

  }

//-----------------SD卡复位到idle状态----------------

//循环发送CMD0，直到SD卡返回0x01,进入idle状态

//超时则直接退出

 retry=0;

 do

  {

  //发送CMD0，CRC为0x95

  r1=SD_SendCommand(CMD0,0,0x95);

  retry++;

  }

  while((r1!=0x01)&&(retry<200));

  //跳出循环后，检查跳出原因，

  if(retry==200) //说明已超时

  {

    return 1;

  }

  //如果未超时，说明SD卡复位到idle结束

  //发送CMD8命令，获取SD卡的版本信息

  r1=SD_SendCommand(CMD8,0x1aa,0x87);

  //下面是SD2.0卡的初始化

  if(r1==0x01)

 {

    // V2.0的卡，CMD8命令后会传回4字节的数据，要跳过再结束本命令

    buff[0] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);  

    buff[1] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);  

    buff[2] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);  

    buff[3] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);      

    SD_CS_DISABLE();

    //多发8个时钟  

    SPI_ReadWriteByte(0xFF);  

    retry = 0;

    //发卡初始化指令CMD55+ACMD41

    do

    {

      r1 = SD_SendCommand(CMD55, 0, 0);

      //应返回0x01

      if(r1!=0x01)

      return r1;   

      r1 = SD_SendCommand(ACMD41, 0x40000000, 1);

      retry++;

      if(retry>200)

      return r1; 

    }

    while(r1!=0);

    //初始化指令发送完成，接下来获取OCR信息   

    //----------鉴别SD2.0卡版本开始-----------

    //读OCR指令

    r1 = SD_SendCommand_NoDeassert(CMD58, 0, 0);

    //如果命令没有返回正确应答，直接退出，返回应答

    if(r1!=0x00)  

    return r1;    

    //应答正确后，会回传4字节OCR信息

    buff[0] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);

    buff[1] = SPI_ReadWriteByte(0xFF); 

    buff[2] = SPI_ReadWriteByte(0xFF); 

    buff[3] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);

    //OCR接收完成，片选置高

    SD_CS_DISABLE();

    SPI_ReadWriteByte(0xFF);

    //检查接收到的OCR中的bit30位（CSS），确定其为SD2.0还是SDHC

    //CCS=1：SDHC   CCS=0：SD2.0

    if(buff[0]&0x40)

    {

      SD_Type = SD_TYPE_V2HC;

    }    

    else

    {

      SD_Type = SD_TYPE_V2;

    }    

    //-----------鉴别SD2.0卡版本结束----------- 

    SPI_SetSpeed(1); //设置SPI为高速模式

 }

}

以上函数是根据SD卡的发送和响应时序进行编写的。

1）程序中配置好SPI模式和引脚后，需要先将SPI的速度设为低速，SD卡初始化时SCK时钟信号不能大于400KHz，初始化结束后再设为高速模式，这里对SPI的模式配置不在赘述，可参考SPI读写FLASH文章的相关内容。

2）将片选信号拉低，选中SD卡，上电后，需要等待至少74个时钟，使SD卡上电稳定。

3）向SD卡发送CMD0指令，SD卡如果返回0x01，说明SD卡已复位到idle状态。

4）向SD卡发送CMD8指令，SD卡如果返回0x01，说明SD卡是2.0或SDHC卡。

SPI读写一字节数据

在这里，先介绍一个相对底层的函数。

SPI操作SD卡时，发送和接收是同步的，所以发送和接收数据使用同一个函数。

在发送数据时，并不关心函数的返回值；

在接收数据时，可以发送并无实际意义的字节（如0xFF）作为函数的参数。

u8  SPI_ReadWriteByte(u8 TxData)

{

   while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_TXE)==RESET);

   SPI_I2S_SendData(SPI1,TxData);

   while(SPI_I2S_GetFlagStatus(SPI1,SPI_I2S_FLAG_RXNE)==RESET);

   return SPI_I2S_ReceiveData(SPI1);

}

这个函数在所有主机与SD卡通信的函数中都会被调用到。

从SD卡中读回指定长度的数据

在SD卡读写试验中，我们会遇到很多需要读取SD卡各个寄存器数据的情况。

SD卡返回的数据长度并不都相同，所以需要一个函数来实现这个功能。

函数中多次调用了读写一字节数据的函数SPI_ReadWriteByte。

这个功能由函数 u8 SD_ReceiveData()来实现。

u8 SD_ReceiveData(u8 *data, u16 len, u8 release)

{

   u16 retry;

   u8 r1;

   //启动一次传输

   SD_CS_ENABLE();

   retry = 0;   

   do

   {

      r1 = SPI_ReadWriteByte(0xFF);

      retry++;

      if(retry>4000)  //4000次等待后没有应答，退出报错（可多试几次）

   {

   SD_CS_DISABLE();

   return 1;

   }

}

  //等待SD卡发回数据起始令牌0xFE

  while(r1 != 0xFE);

  //跳出循环后，开始接收数据

  while(len--)

  {

   *data = SPI_ReadWriteByte(0xFF);

   data++;

  }

  //发送2个伪CRC

  SPI_ReadWriteByte(0xFF);

  SPI_ReadWriteByte(0xFF);

  //按需释放总线

  if(release == RELEASE)

  {

    SD_CS_DISABLE();

    SPI_ReadWriteByte(0xFF);

  }  

  return 0;

}

此函数有3个输入参数:

u8 * data为保存读回数据的变量

len为需要保存的的数据个数

release 为当程序结束后是否释放总线的标志。

给SD卡发送命令

在初始化函数中，我们需要做的最多的就是给SD卡发送各种命令以及接收各种响应，从而判断卡片的类型，操作条件等相关信息。

一个命令包括6个段：

给SD卡发送命令的程序有2个。

区别为一个发送完命令后失能片选，一个为发送完命令不失能片选（后续还有数据传回）。

u8  SD_SendCommand(u8 cmd,u32 arg,u8 crc)

{

   unsigned char r1;

   unsigned int Retry = 0;

   SD_CS_DISABLE();

   //发送8个时钟，提高兼容性

   SPI_ReadWriteByte(0xff);

   //选中SD卡

   SD_CS_ENABLE();

   /*按照SD卡的命令序列开始发送命令 */

   //cmd参数的第二位为传输位，数值为1，所以或0x40  

   SPI_ReadWriteByte(cmd | 0x40);    

   //参数段第24-31位数据[31..24]

   SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 24));

   //参数段第16-23位数据[23..16]

   SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 16));

   //参数段第8-15位数据[15..8]

   SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 8));

   //参数段第0-7位数据[7..0]

   SPI_ReadWriteByte((u8)arg);    

   SPI_ReadWriteByte(crc);

   //等待响应或超时退出

   while((r1 = SPI_ReadWriteByte(0xFF))==0xFF)

   {

     Retry++;

     if(Retry > 800) break; //超时次数

   }   

   //关闭片选

   SD_CS_DISABLE();

   //在总线上额外发送8个时钟，让SD卡完成剩下的工作

   SPI_ReadWriteByte(0xFF);

   //返回状态值

   return r1;

}

u8 SD_SendCommand_NoDeassert(u8 cmd, u32 arg,u8 crc)

{

   unsigned char r1;

   unsigned int Retry = 0;

   SD_CS_DISABLE();

   //发送8个时钟，提高兼容性

   SPI_ReadWriteByte(0xff);

   //选中SD卡

   SD_CS_ENABLE();

   /* 按照SD卡的命令序列开始发送命令 */

   SPI_ReadWriteByte(cmd | 0x40);                      

   SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 24));

   SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 16));

   SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 8));

   SPI_ReadWriteByte((u8)arg);    

   SPI_ReadWriteByte(crc);

   //等待响应或超时退出

   while((r1 = SPI_ReadWriteByte(0xFF))==0xFF)

   {

      Retry++;

      if(Retry > 800)break; 

    }

    return r1;

}

以上两个函数就是根据SD卡在SPI模式下发送指令的时序编写的

取CID寄存器数据

u8 SD_GetCID(u8 *cid_data)

{

   u8 r1;

   //发CMD10命令，读取CID信息

   r1 = SD_SendCommand(CMD10, 0, 0xFF);

   if(r1 != 0x00)

   return r1;   //响应错误，退出 

   //接收16个字节的数据

   SD_ReceiveData(cid_data, 16, RELEASE);  

   return 0;

}

以上程序源码相对比较简单，发送了CMD10读取CID寄存器命令后，如果相应正确，即开始进入接收数据环节，这里SD_ReceiveData函数中第二个参数输入16,即表示回传128位的CID数据。

获取SD卡容量信息

SD卡容量的信息主要是通过查询CSD寄存器的一些相关数据，并根据数据手册进行计算得出的。

该函数虽然较为复杂，但可先精读SPI操作SD卡的理论知识篇，看懂程序的算法为何是这样实现的，也就容易理解程序的编写原理了。

u32 SD_GetCapacity(void)

{

    u8 csd[16];

    u32 Capacity;

    u8 r1;

    u16 i;

    u16 temp;

    //取CSD信息，如果出错，返回0

    if(SD_GetCSD(csd)!=0)

    return 0;    

    //如果是CSD寄存器是2.0版本，按下面方式计算

    if((csd[0]&0xC0)==0x40)

    {  

       Capacity=((u32)csd[8])<<8;

       Capacity+=(u32)csd[9]+1;  

       Capacity = (Capacity)*1024; //得到扇区数

       Capacity*=512; //得到字节数   

    }

    else //CSD寄存器是1.0版本

   {    

       i = csd[6]&0x03;

       i<<=8;

       i += csd[7];

       i<<=2;

       i += ((csd[8]&0xc0)>>6);

       r1 = csd[9]&0x03;

       r1<<=1;

       r1 += ((csd[10]&0x80)>>7);  

       r1+=2;

       temp = 1;

       while(r1)

       {

        temp*=2;

         r1--;

       }

   Capacity = ((u32)(i+1))*((u32)temp);  

   i = csd[5]&0x0f;

   temp = 1;

   while(i)

   {

      temp*=2;

      i--;

   }

   //最终结果

   Capacity *= (u32)temp;

   //字节为单位  

  }

   return (u32)Capacity;

}

此函数计算出来的容量是Kbyte，结果除以1024就是Mbyte，再除以1024就是GByte。

2G的卡，结果可能是1.8G，8G的卡结果可能是7.6G，代表用户可用容量。

读单块block和读多块block

SD卡读单块和多块的命令分别为CMD17和CMD18，他们的参数即要读的区域的开始地址。

因为考虑到一般SD卡的读写要求地址对齐，所以一般我们都将地址转为块，并以扇区（块）（512Byte）为单位进行读写，比如读扇区0参数就为0，读扇区1参数就为1<<9(即地址512），读扇区2参数就为2<<9(即地址1024），依此类推。

读单块：

u8 SD_ReadSingleBlock(u32 sector, u8 *buffer)

{

  u8 r1;

  //高速模式

  SPI_SetSpeed(SPI_SPEED_HIGH);

  if(SD_Type!=SD_TYPE_V2HC) //如果不是SDHC卡

  {

    sector = sector<<9; //512*sector即物理扇区的边界对其地址

  }

   r1 = SD_SendCommand(CMD17, sector, 1); //发送CMD17 读命令

   if(r1 != 0x00) return r1;    

   r1 = SD_ReceiveData(buffer, 512, RELEASE); //一个扇区为512字节

   if(r1 != 0)

     return r1;   //读数据出错

   else 

     return 0; //读取正确，返回0

}

读多块：

u8 SD_ReadMultiBlock(u32 sector, u8 *buffer, u8 count)

{

  u8 r1;  

  SPI_SetSpeed(SPI_SPEED_HIGH);

  if(SD_Type != SD_TYPE_V2HC)

  {

    sector = sector<<9;

  } 

  r1 = SD_SendCommand(CMD18, sector, 1); //读多块命令

  if(r1 != 0x00) return r1;  

  do //开始接收数据 

  {

    if(SD_ReceiveData(buffer, 512, NO_RELEASE) != 0x00)

    {

        break;

    }

    buffer += 512;

       } while(--count);  

  SD_SendCommand(CMD12, 0, 1); //全部传输完成，发送停止命令

  SD_CS_DISABLE(); //释放总线

  SPI_ReadWriteByte(0xFF);    

  if(count != 0)

    return count;   //如果没有传完，返回剩余个数

  else 

    return 0;

}

写单块和写多块

SD卡用CMD24和CMD25来写单块和多块，参数的定义和读操作是一样的。

忙检测：SD卡写入数据并自编程时，数据线上读到0x00表示SD卡正忙，当读到0xff表示写操作完成。

u8 SD_WaitReady(void)

{

  u8 r1;

  u16 retry=0;

  do

  {

    r1 = SPI_ReadWriteByte(0xFF);

    retry++;

    if(retry==0xfffe)

    return 1; 

  }while(r1!=0xFF); 

    return 0;

}

写单块流程：

1.发送CMD24，收到0x00表示成功

2.发送若干时钟

3.发送写单块开始字节0xFE

4.发送512个字节数据

5.发送2字节CRC（可以均为0xff）

6.连续读直到读到XXX00101表示数据写入成功

7.继续读进行忙检测（读到0x00表示SD卡正忙），当读到0xff表示写操作完成

u8 SD_WriteSingleBlock(u32 sector, const u8 *data)

{

  u8 r1;

  u16 i;

  16 retry;

        //高速模式

  SPI_SetSpeed(SPI_SPEED_HIGH);

//如果不是SDHC卡，将sector地址转为byte地址

        if(SD_Type!=SD_TYPE_V2HC)

  {

      sector = sector<<9;

  }

//写扇区指令

        r1 = SD_SendCommand(CMD24, sector, 0x00);

  if(r1 != 0x00)

  {

//应答错误，直接返回

    return r1;  

  }

//开始准备数据传输

        SD_CS_ENABLE();

  //先发3个空数据，等待SD卡准备好

  SPI_ReadWriteByte(0xff);

  SPI_ReadWriteByte(0xff);

  SPI_ReadWriteByte(0xff);

  //放起始令牌0xFE

        SPI_ReadWriteByte(0xFE);

        //发一个sector数据

  for(i=0;i<512;i++)

  {

      SPI_ReadWriteByte(*data++);

  }

  //发送2个伪CRC校验

  SPI_ReadWriteByte(0xff);

  SPI_ReadWriteByte(0xff);

  //等待SD卡应答

  r1 = SPI_ReadWriteByte(0xff);

//如果为0x05说明数据写入成功

  if((r1&0x1F)!=0x05)

  {

      SD_CS_DISABLE();

      return r1;

  }

    //等待操作完成

  retry = 0;

        //卡自编程时，数据线被拉低

  while(!SPI_ReadWriteByte(0xff))

  {

      retry++;

      if(retry>65534)        //如果长时间没有写入完成，退出报错

      {

        SD_CS_DISABLE();

        return 1;           //写入超时，返回1

      }

  }

        //写入完成，片选置1

  SD_CS_DISABLE();

  SPI_ReadWriteByte(0xff);

        return 0;

}

写多块流程：

1.发送CMD25，收到0x00表示成功

2.发送若干时钟

3.发送写多块开始字节0xFC

4.发送512字节数据

5.发送两个CRC（可以均为0xff）

6.连续读直到读到XXX00101表示数据写入成功

7.继续读进行忙检测，直到读到0xFF表示写操作完成

8.如果想读下一扇区重复2-7步骤

9.发送写多块停止字节0xFD来停止写操作

10.进行忙检测直到读到0xFF

u8 SD_WriteMultiBlock(u32 sector, const u8 *data, u8 count)

{

  u8 r1;

  u16 i;  

  SPI_SetSpeed(SPI_SPEED_HIGH); 

  if(SD_Type != SD_TYPE_V2HC)

        {

       sector = sector<<9;

        }

  if(SD_Type != SD_TYPE_MMC) 

        {

     //启用ACMD23指令使能预擦除

        r1 = SD_SendCommand(ACMD23, count, 0x01);  

        }  

        //写多块指令CMD25

        r1 = SD_SendCommand(CMD25, sector, 0x01);

        //应答不正确，直接返回

  if(r1 != 0x00) return r1;

//开始准备数据传输

  SD_CS_ENABLE();

//放3个空数据让SD卡准备好

SPI_ReadWriteByte(0xff);

  SPI_ReadWriteByte(0xff); 

        SPI_ReadWriteByte(0xff);   

  //下面是N个sector循环写入的部分

  do

  {

       //放起始令牌0xFC，表明是多块写入

         SPI_ReadWriteByte(0xFC);  

         //发1个sector的数据

         for(i=0;i<512;i++)

         {

        SPI_ReadWriteByte(*data++);

         }

         //发2个伪CRC

   SPI_ReadWriteByte(0xff);

       SPI_ReadWriteByte(0xff);

            //等待SD卡回应

         r1 = SPI_ReadWriteByte(0xff);

   //0x05表示数据写入成功

         if((r1&0x1F)!=0x05)

         {

        SD_CS_DISABLE();    

        return r1;

         }

            //检测SD卡忙信号

         if(SD_WaitReady()==1)

        {

        SD_CS_DISABLE();    //长时间写入未完成，退出

        return 1;

        }   

       } 

       while(--count);

       //发送传输结束令牌0xFD

       SPI_ReadWriteByte(0xFD);

       //等待准备好   

       if(SD_WaitReady())

       {

           SD_CS_DISABLE();

           return 1;  

        }

       //写入完成，片选置1

       SD_CS_DISABLE();

       SPI_ReadWriteByte(0xff);

       //返回count值，如果写完，则count=0,否则count=未写完的sector数  

       return count;   

}

SD卡的基本读写程序就是这些，编写的思路就是由最底层的SPI 读写一字节数据的程序作为基本程序，然后根据SD卡不同时序进行相应的组合。

想细致研究STM32的SPI在这个例程中的配置还是需要下载源码仔细阅读的。

掌握了这个例程的读写SD卡的函数原理，下一步就可以着手运用到FATFS文件系统了。