【stm32f407】SD协议（一）-SDIO

SDIO简介

1.SDIO主要功能及框图

STM32F4的SDIO控制器支持多媒体卡（MMC卡）、SD存储卡、SD I/O卡和CE-ATA设备等。SDIO的主要功能如下：

1)与多媒体卡系统规格书版本4.2全兼容。支持三种不同的数据总线模式：1位(默认)、4位和8位。

2)与较早的多媒体卡系统规格版本全兼容(向前兼容)。

3)与SD存储卡规格版本2.0全兼容。

4)与SD I/O卡规格版本2.0全兼容：支持良种不同的数据总线模式：1位(默认)和4位。

5)完全支持CE-ATA功能(与CE-ATA数字协议版本1.1全兼容)。  8位总线模式下数据传输速率可达48MHz（分频器旁路时）。

6)数据和命令输出使能信号，用于控制外部双向驱动器。

STM32F4的SDIO控制器包含2个部分：SDIO适配器模块和APB2总线接口，其功能框图如图所示

复位后默认情况下SDIO_D0用于数据传输。初始化后主机可以改变数据总线的宽度（通过ACMD6命令设置）。

如果一个多媒体卡接到了总线上，则SDIO_D0、SDIO_D[3:0]或SDIO_D[7:0]可以用于数据传输。MMC版本V3.31和之前版本的协议只支持1位数据线，所以只能用SDIO_D0（为了通用性考虑，在程序里面我们只要检测到是MMC卡就设置为1位总线数据）。

如果一个SD或SD I/O卡接到了总线上，可以通过主机配置数据传输使用SDIO_D0或SDIO_D[3:0]。所有的数据线都工作在推挽模式。

SDIO_CMD有两种操作模式：

用于初始化时的开路模式(仅用于MMC版本V3.31或之前版本)

用于命令传输的推挽模式(SD/SD I/O卡和MMC V4.2在初始化时也使用推挽驱动)

2.      SDIO的时钟

从上图我们可以看到SDIO总共有3个时钟，分别是：

1）卡时钟（SDIO_CK）：每个时钟周期在命令和数据线上传输1位命令或数据。对于多媒体卡V3.31协议，时钟频率可以在0MHz至20MHz间变化；对于多媒体卡V4.0/4.2协议，时钟频率可以在0MHz至48MHz间变化；对于SD或SD I/O卡，时钟频率可以在0MHz至25MHz间变化。

2） SDIO适配器时钟（SDIOCLK）：该时钟用于驱动SDIO适配器，来自PLL48CK，一般为48Mhz，并用于产生SDIO_CK时钟。

3） APB2总线接口时钟（PCLK2）：该时钟用于驱动SDIO的APB2总线接口，其频率为HCLK/2，一般为84Mhz。

前面提到，我们的SD卡时钟（SDIO_CK），根据卡的不同，可能有好几个区间，这就涉及到时钟频率的设置，SDIO_CK与SDIOCLK的关系（时钟分频器不旁路时）为：

SDIO_CK=SDIOCLK/(2+CLKDIV)

其中，SDIOCLK为PLL48CK，一般是48Mhz，而CLKDIV则是分配系数，可以通过SDIO的SDIO_CLKCR寄存器进行设置（确保SDIO_CK不超过卡的最大操作频率）。注意，以上公式，是时钟分频器不旁路时的计算公式，当时钟分频器旁路时，SDIO_CK直接等于SDIOCLK。

这里要提醒大家，在SD卡刚刚初始化的时候，其时钟频率（SDIO_CK）是不能超过400Khz的，否则可能无法完成初始化。在初始化以后，就可以设置时钟频率到最大了（但不可超过SD卡的最大操作时钟频率）。

3.      SDIO的命令与响应

SDIO的命令分为应用相关命 令（ACMD）和 通 用 命 令（CMD）两部分，应用相关命令（ACMD）的发送，必须先发送通用命令（CMD55），然后才能发送应用相关命令（ACMD）。

SDIO的所有命令和响应都是通过SDIO_CMD引脚传输的，任何命令的长度都是固定为48位，SDIO的命令格式如图所示：

所有的命令都是由STM32F4发出，其中开始位、传输位、CRC7和结束位由SDIO硬件控制，我们需要设置的就只有命令索引和参数部分。其中命令索引（如CMD0，CMD1之类的）在SDIO_CMD寄存器里面设置，命令参数则由寄存器SDIO_ARG设置。

一般情况下，选中的SD卡在接收到命令之后，都会回复一个应答（注意CMD0是无应答的），这个应答我们称之为响应，响应也是在CMD线上串行传输的。STM32F4的SDIO控制器支持2种响应类型，即：短响应（48位）和长响应（136位），这两种响应类型都带CRC错误检测（注意不带CRC的响应应该忽略CRC错误标志，如CMD1的响应）。

短响应的格式如表所示

长响应的格式如图所示：

同样，硬件为我们滤除了开始位、传输位、CRC7以及结束位等信息，对于短响应，命令索引存放在SDIO_RESPCMD寄存器，参数则存放在SDIO_RESP1寄存器里面。对于长响应，则仅留CID/CSD位域，存放在SDIO_RESP1~SDIO_RESP4等4个寄存器。

SD存储卡总共有5类响应（R1、R2、R3、R6、R7），我们这里以R1为例简单介绍一下。

R1（普通响应命令）响应输入短响应，其长度为48位，R1响应的格式如图所示：

在收到R1响应后，我们可以从SDIO_RESPCMD寄存器和SDIO_RESP1寄存器分别读出命令索引和卡状态信息。

最后，我们看看数据在SDIO控制器与SD卡之间的传输。对于SDI/SDIO存储器，数据是以数据块的形式传输的，而对于MMC卡，数据是以数据块或者数据流的形式传输。本节我们只考虑数据块形式的数据传输。

SDIO（多）数据块读操作，如图所示

从上图，我们可以看出，从机在收到主机相关命令后，开始发送数据块给主机，所有数据块都带有CRC校验值（CRC由SDIO硬件自动处理），单个数据块读的时候，在收到1个数据块以后即可以停止了，不需要发送停止命令（CMD12）。但是多块数据读的时候，SD卡将一直发送数据给主机，直到接到主机发送的STOP命令（CMD12）。

SDIO（多）数据块写操作，如图所示：

数据块写操作同数据块读操作基本类似，只是数据块写的时候，多了一个繁忙判断，新的数据块必须在SD卡非繁忙的时候发送。这里的繁忙信号由SD卡拉低SDIO_D0，以表示繁忙，SDIO硬件自动控制，不需要我们软件处理。

4.SDIO相关寄存器介绍

第一个，我们来看SDIO电源控制寄存器（SDIO_POWER），该寄存器定义如图所示：

该寄存器复位值为0，所以SDIO的电源是关闭的，我们要启用SDIO，第一步就是要设置该寄存器最低2个位均为1，让SDIO上电，开启卡时钟。

第二个，我们看SDIO时钟控制寄存器（SDIO_CLKCR），该寄存器主要用于设置SDIO_CK的分配系数，开关等，并可以设置SDIO的数据位宽，该寄存器的定义如图所示

上图仅列出了部分我们要用到的位设置，WIDBUS用于设置SDIO总线位宽，正常使用的时候，设置为1，即4位宽度。BYPASS用于设置分频器是否旁路，我们一般要使用分频器，所以这里设置为0，禁止旁路。CLKEN则用于设置是否使能SDIO_CK，我们设置为1。最后，CLKDIV，则用于控制SDIO_CK的分频，一般设置为0，即可得到24Mhz的SDIO_CK频率。

第三个，我们要介绍的是SDIO参数制寄存器（SDIO_ARG），该寄存器比较简单，就是一个32位寄存器，用于存储命令参数，不过需要注意的是，必须在写命令之前先写这个参数寄存器！

第四个，我们要介绍的是SDIO命令响应寄存器（SDIO_RESPCMD），该寄存器为32位，但只有低6位有效，比较简单，用于存储最后收到的命令响应中的命令索引。如果传输的命令响应不包含命令索引，则该寄存器的内容不可预知。

第五个，我们要介绍的是SDIO响应寄存器组（SDIO_RESP1~SDIO_RESP4），该寄存器组总共由4个32位寄存器组成，用于存放接收到的卡响应部分信息。如果收到短响应，则数据存放在SDIO_RESP1寄存器里面，其他三个寄存器没有用到。而如果收到长响应，则依次存放在

SDIO_RESP1~ SDIO_RESP4里面，如表所示：

第七个，我们介绍SDIO命令寄存器（SDIO_CMD），该寄存器各位定义如图43.1.4.3所示：

图中只列出了部分位的描述，其中低6位为命令索引，也就是我们要发送的命令索引号（比如发送CMD1，其值为1，索引就设置为1）。位[7:6]，用于设置等待响应位，用于指示CPSM是否需要等待，以及等待类型等。这里的CPSM，即命令通道状态机。

第八个，我们要介绍的是SDIO数据定时器寄存器（SDIO_DTIMER），该寄存器用于存储以卡总线时钟（SDIO_CK）为周期的数据超时时间，一个计数器将从SDIO_DTIMER寄存器加载数值，并在数据通道状态机(DPSM)进入Wait_R或繁忙状态时进行递减计数，当DPSM处在这些状态时，如果计数器减为0，则设置超时标志。这里的DPSM，即数据通道状态机，类似CPSM。注意：在写入数据控制寄存器，

进行数据传输之前，必须先写入该寄存器（SDIO_DTIMER）和数据长度寄存器（SDIO_DLEN）！

第九个，我们要介绍的是SDIO数据长度寄存器（SDIO_DLEN），该寄存器低25位有效，用于设置需要传输的数据字节长度。对于块数据传输，该寄存器的数值，必须是数据块长度（通过SDIO_DCTRL设置）的倍数。

第十个，我们要介绍的是SDIO数据控制寄存器（SDIO_DCTRL），该寄存器各位定义如图所示：

该寄存器，用于控制数据通道状态机（DPSM），包括数据传输使能、传输方向、传输模式、DMA使能、数据块长度等信息，都是通过该寄存器设置。我们需要根据自己的实际情况，来配置该寄存器，才可正常实现数据收发。

接下来，我们介绍几个位定义十分类似的寄存器，他们是：状态寄存器（SDIO_STA）、清除中断寄存器（SDIO_ICR）和中断屏蔽寄存器（SDIO_MASK），这三个寄存器每个位的定义都相同，只是功能各有不同。所以可以一起介绍，以状态寄存器（SDIO_STA）为例，该寄存器各位定义如图所示：

状态寄存器可以用来查询SDIO控制器的当前状态，以便处理各种事务。比如SDIO_STA的位2表示命令响应超时，说明SDIO的命令响应出了问题。我们通过设置SDIO_ICR的位2则可以清除这个超时标志，而设置SDIO_MASK的位2，则可以开启命令响应超时中断，设置为0关闭。其他位我们就不一一介绍了，请大家自行学习。

最后，我们向大家介绍SDIO的数据FIFO寄存器（SDIO_FIFO），数据FIFO寄存器包括接收和发送FIFO，他们由一组连续的32个地址上的32个寄存器组成，CPU可以使用FIFO读写多个操作数。例如我们要从SD卡读数据，就必须读SDIO_FIFO寄存器，要写数据到SD卡，则要写SDIO_FIFO寄存器。SDIO将这32个地址分为16个一组，发送接收各占一半。而我们每次读写的时候，最多就是读取发送FIFO或写入接收FIFO的一半大小的数据，也就是8个字（32个字节），这里特别提醒，我们操作SDIO_FIFO（不论读出还是写入）必须是以4字节对齐的内存进行操作，否则将导致出错！

至此，SDIO的相关寄存器介绍，我们就介绍完了。还有几个不常用的寄存器，我们没有介绍