很多单片机系统都需要大容量存储设备，以存储数据。目前常用的有U盘，FLASH芯片，SD卡等。他们各有优点，综合比较，最适合单片机系统的莫过于SD卡了，它不仅容量可以做到很大（32Gb以上），而且支持SPI接口，方便移动，并且有几种体积的尺寸可供选择（标准的SD卡尺寸，以及TF卡尺寸等），能满足不同应用的要求。只需要4个IO口即可外扩一个最大达32GB以上的外部存储器，容量从几十M到几十G选择尺度很大，更换也很方便，编程也简单，是单片机大容量外部存储器的首选。ALIENTKE战舰STM32开发板自带了标准的SD卡接口，可使用STM32自带的SPI/SDIO接口驱动（通过跳线帽选择驱动方式），本章我们使用SPI驱动，最高通信速度可达18Mbps，每秒可传输数据2M字节以上，对于一般应用足够了。在本章中，我们将向大家介绍，如何在ALIENTEK战舰STM32开发板上实现SD卡的读取。本章分为如下几个部分：44.1 SD卡简介44.2硬件设计44.3软件设计44.4下载验证
44.1 SD卡简介SD卡（Secure Digital Memory Card）中文翻译为安全数码卡，它是在MMC的基础上发展而来，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛地于便携式装置上使用，例如数码相机、个人数码助理(PDA)和多媒体播放器等。SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。大小犹如一张邮票的SD记忆卡，重量只有2克，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。按容量分类，可以将SD卡分为3类：SD卡、SDHC卡、SDXC卡。如表44.1.1所示：
容量命名简称0~2GStandard Capacity SD Memory CardSDSC或SD2G~32GHigh Capacity SD Memory CardSDHC32G~2TExtended Capacity SD Memory CardSDXC表44.1.1 SD卡按容量分类SD卡和SDHC卡协议基本兼容，但是SDXC卡，同这两者区别就比较大了，本章我们讨论的主要是SD/SDHC卡（简称SD卡）。SD卡一般支持2种操作模式：1，SD卡模式（通过SDIO通信）；2，SPI模式；主机可以选择以上任意一种模式同SD卡通信，SD卡模式允许4线的高速数据传输。SPI模式允许简单的通过SPI接口来和SD卡通信，这种模式同SD卡模式相比就是丧失了速度。SD卡的引脚排序如下图44.1.1所示：图44.1.1 SD卡引脚排序图SD卡引脚功能描述如表45.1.2所示：表45.1.2 SD卡引脚功能表SD卡只能使用3.3V的IO电平，所以，MCU一定要能够支持3.3V的IO端口输出。注意：在SPI模式下，CS/MOSI/MISO/CLK都需要加10~100K左右的上拉电阻。SD卡有5个寄存器，如表45.1.3所示：名称宽度描述CID128卡标识寄存器RCA16相对卡地址（Relative card address）寄存器:本地系统中卡的地址，动态变化，在主机初始化的时候确定*SPI模式中没有CSD128卡描述数据:卡操作条件相关的信息数据SCR64SD配置寄存器:SD卡特定信息数据OCR32操作条件寄存器表45.1.3 SD卡相关寄存器关于这些寄存器的详细描述，请参考光盘相关SD卡资料。我们在这里就不描述了。接下来，我们看看SD卡的命令格式，如表45.1.4所示：字节1字节2--5字节6765031071001command命令参数CRC1表45.1.4 SD卡命令格式SD卡的指令由6个字节组成，字节1的最高2位固定为01，低6位为命令号（比如CMD16，为10000即16进制的0X10，完整的CMD16，第一个字节为01010000，即0X10+0X40）。字节2~5为命令参数，有些命令是没有参数的。字节6的高七位为CRC值，最低位恒定为1。SD卡的命令总共有12类，分为Class0~Class11，本章，我们仅介绍几个比较重要的命令，如表45.1.5所示：命令参数回应描述CMD0(0X00)NONER1复位SD卡CMD8(0X08)VHS+Check patternR7发送接口状态命令CMD9(0X09)NONER1读取卡特定数据寄存器CMD10(0X0A)NONER1读取卡标志数据寄存器CMD16(0X10)块大小R1设置块大小（字节数）CMD17(0X11)地址R1读取一个块的数据CMD24(0X18)地址R1写入一个块的数据CMD41(0X29)NONER3发送给主机容量支持信息和激活卡初始化过程CMD55(0X37)NONER1告诉SD卡，下一个是特定应用命令CMD58(0X3A)NONER3读取OCR寄存器
表45.1.5 SD卡部分命令上表中，大部分的命令是初始化的时候用的。表中的R1、R3和R7等是SD卡的回应，SD卡和单片机的通信采用发送应答机制，如图45.1.2所示：图45.1.2 SD卡命令传输过程每发送一个命令，SD卡都会给出一个应答，以告知主机该命令的执行情况，或者返回主机需要获取的数据。SPI模式下，SD卡针对不同的命令，应答可以使R1~R7，R1的应答，各位描述如表45.1.6所示：
(资料图)
始终为0参数
错误地址
错误擦除序列
错误CRC错误非法
命令擦除
复位闲置
状态
表45.1.6 R1响应各位描述R2~R7的响应，我们就不介绍了，请的大家参考SD卡2.0协议。接下来，我们看看SD卡初始化过程。因为我们使用的是SPI模式，所以先得让SD卡进入SPI模式。方法如下：在SD卡收到复位命令（CMD0）时，CS为有效电平（低电平）则SPI模式被启用。不过在发送CMD0之前，要发送>74个时钟，这是因为SD卡内部有个供电电压上升时间，大概为64个CLK，剩下的10个CLK用于SD卡同步，之后才能开始CMD0的操作，在卡初始化的时候，CLK时钟最大不能超过400Khz！。接着我们看看SD卡的初始化，SD卡的典型初始化过程如下：1、初始化与SD卡连接的硬件条件（MCU的SPI配置，IO口配置）；2、上电延时（>74个CLK）；3、复位卡（CMD0），进入IDLE状态；4、发送CMD8，检查是否支持2.0协议；5、根据不同协议检查SD卡（命令包括：CMD55、CMD41、CMD58和CMD1等）；6、取消片选，发多8个CLK，结束初始化这样我们就完成了对SD卡的初始化，注意末尾发送的8个CLK是提供SD卡额外的时钟，完成某些操作。通过SD卡初始化，我们可以知道SD卡的类型（V1、V2、V2HC或者MMC），在完成了初始化之后，就可以开始读写数据了。SD卡读取数据，这里通过CMD17来实现，具体过程如下：1、发送CMD17；2、接收卡响应R1；3、接收数据起始令牌0XFE；4、接收数据；5、接收2个字节的CRC，如果不使用CRC，这两个字节在读取后可以丢掉。6、禁止片选之后，发多8个CLK；以上就是一个典型的读取SD卡数据过程，SD卡的写于读数据差不多，写数据通过CMD24来实现，具体过程如下：1、发送CMD24;2、接收卡响应R1；3、发送写数据起始令牌0XFE；4、发送数据；5、发送2字节的伪CRC；6、禁止片选之后，发多8个CLK；以上就是一个典型的写SD卡过程。关于SD卡的介绍，我们就介绍到这里，更详细的介绍请参考光盘SD卡的参考资料（SD卡2.0协议）。44.2硬件设计本章实验功能简介：开机的时候先初始化SD卡，如果SD卡初始化完成，则提示LCD初始化成功。按下KEY0，读取SD卡扇区0的数据，然后通过串口发送到电脑。如果没初始化通过，则在LCD上提示初始化失败。同样用DS0来指示程序正在运行。本实验用到的硬件资源有：1）指示灯DS02）KEY0按键3）串口4）TFTLCD模块5）SD卡前面四部分，在之前的实例已经介绍过了，这里我们介绍一下战舰STM32开发板板载的SD卡接口和STM32的连接关系，如图44.2.1所示：图44.2.1 SD卡接口与STM32连接原理图我们用跳线帽将P10的SD_DT3、SD_CMD、SD_SCK、SD_DT0分别同P12的SD_CS、SPI2_MOSI、SPI2_SCK、SPI2_MISO连接起来，即实现SD卡的SPI模式连接。硬件连接示意图如图44.2.2所示：图44.2.2 SD卡SPI方式硬件连接示意图将图中所示的4处，用跳线帽短接，接口实现SD卡与STM32的SPI连接。最后，你还得自备一个SD卡，将其插入板子下面的SD卡接口。44.3软件设计打开上一章的工程，首先在HARDWARE文件夹下新建一个SD的文件夹。然后新建一个MMC_SD.C和MMC_SD.H的文件保存在SD文件夹下，并将这个文件夹加入头文件包含路径。打开MMC_SD.C文件，在该文件里面，我们输入与SD卡相关的操作代码，这里由于篇幅限制，我们不贴出所有代码，仅介绍两个最重要的函数，第一个是SD_Initialize函数，该函数源码如下：//初始化SD卡u8 SD_Initialize(void){u8 r1;//存放SD卡的返回值u16 retry;//用来进行超时计数u8 buf[4];u16 i;SD_SPI_Init();//初始化IOSD_SPI_SpeedLow();//设置到低速模式for(i=0;i<10;i++)SD_SPI_ReadWriteByte(0XFF);//发送最少74个脉冲retry=20;do{r1=SD_SendCmd(CMD0,0,0x95);//进入IDLE状态}while((r1!=0X01) && retry--);SD_Type=0;//默认无卡if(r1==0X01){if(SD_SendCmd(CMD8,0x1AA,0x87)==1)//SD V2.0{for(i=0;i<4;i++)buf[i]=SD_SPI_ReadWriteByte(0XFF);//得到R7相应值if(buf[2]==0X01&&buf[3]==0XAA)//卡是否支持2.7~3.6V{retry=0XFFFE;do{SD_SendCmd(CMD55,0,0X01);//发送CMD55r1=SD_SendCmd(CMD41,0x40000000,0X01);//发送CMD41}while(r1&&retry--);if(retry&&SD_SendCmd(CMD58,0,0X01)==0)//鉴别SD2.0卡版本开始{for(i=0;i<4;i++)buf[i]=SD_SPI_ReadWriteByte(0XFF);//得到OCR值if(buf[0]&0x40)SD_Type=SD_TYPE_V2HC;//检查CCSelse SD_Type=SD_TYPE_V2;}}}else//SD V1.x/ MMCV3{SD_SendCmd(CMD55,0,0X01);//发送CMD55r1=SD_SendCmd(CMD41,0,0X01);//发送CMD41if(r1<=1){SD_Type=SD_TYPE_V1;retry=0XFFFE;do //等待退出IDLE模式{SD_SendCmd(CMD55,0,0X01);//发送CMD55r1=SD_SendCmd(CMD41,0,0X01);//发送CMD41}while(r1&&retry--);}else//MMC卡不支持CMD55+CMD41识别{SD_Type=SD_TYPE_MMC;//MMC V3retry=0XFFFE;do //等待退出IDLE模式{r1=SD_SendCmd(CMD1,0,0X01);//发送CMD1}while(r1&&retry--);}if(retry==0||SD_SendCmd(CMD16,512,0X01)!=0)SD_Type=SD_TYPE_ERR;//错误的卡}}SD_DisSelect();//取消片选SD_SPI_SpeedHigh();//高速if(SD_Type)return 0;else if(r1)return r1; return 0xaa;//其他错误}该函数先设置与SD相关的IO口及SPI初始化，然后发送CMD0，进入IDLE状态，并设置SD卡为SPI模式通信，然后判断SD卡类型，完成SD卡的初始化，注意该函数调用的SD_SPI_Init等函数，实际是对SPI2的相关函数进行了一层封装，方便移植。另外一个要介绍的函数是SD_ReadDisk，该函数用于从SD卡读取一个扇区的数据（这里一般为512字节），该函数代码如下：//读SD卡//buf:数据缓存区//sector:扇区//cnt:扇区数//返回值:0,ok;其他,失败.u8 SD_ReadDisk(u8*buf,u32 sector,u8 cnt){u8 r1;if(SD_Type!=SD_TYPE_V2HC)sector <<= 9;//转换为字节地址if(cnt==1){r1=SD_SendCmd(CMD17,sector,0X01);//读命令if(r1==0) r1=SD_RecvData(buf,512);//命令发送成功,接收512个字节}else{r1=SD_SendCmd(CMD18,sector,0X01);//连续读命令do{r1=SD_RecvData(buf,512);//接收512个字节buf+=512;}while(--cnt && r1==0); SD_SendCmd(CMD12,0,0X01);//发送停止命令}SD_DisSelect();//取消片选return r1;//}此函数先发送CMD17命令，然后读取一个扇区的数据，详细见代码，这里我们就不多介绍了。保存MMC_SD.C文件，并加入到HARDWARE组下，然后打开MMC_SD.H，在该文件里面输入如下代码：#ifndef _MMC_SD_H_#define _MMC_SD_H_#include "sys.h"#include // SD卡类型定义#define SD_TYPE_ERR0X00#define SD_TYPE_MMC0X01#define SD_TYPE_V10X02#define SD_TYPE_V20X04#define SD_TYPE_V2HC0X06// SD卡指令表#define CMD00//卡复位#define CMD11#define CMD88//命令8，SEND_IF_COND#define CMD99//命令9，读CSD数据#define CMD1010//命令10，读CID数据#define CMD1212//命令12，停止数据传输#define CMD1616//命令16，设置SectorSize应返回0x00#define CMD1717//命令17，读sector#define CMD1818//命令18，读Multi sector#define CMD2323//命令23，设置多sector写入前预先擦除N个block#define CMD2424//命令24，写sector#define CMD2525//命令25，写Multi sector#define CMD4141//命令41，应返回0x00#define CMD5555//命令55，应返回0x01#define CMD5858//命令58，读OCR信息#define CMD5959//命令59，使能/禁止CRC，应返回0x00//数据写入回应字意义#define MSD_DATA_OK0x05#define MSD_DATA_CRC_ERROR0x0B#define MSD_DATA_WRITE_ERROR0x0D#define MSD_DATA_OTHER_ERROR0xFF//SD卡回应标记字#define MSD_RESPONSE_NO_ERROR0x00#define MSD_IN_IDLE_STATE0x01#define MSD_ERASE_RESET0x02#define MSD_ILLEGAL_COMMAND0x04#define MSD_COM_CRC_ERROR0x08#define MSD_ERASE_SEQUENCE_ERROR0x10#define MSD_ADDRESS_ERROR0x20#define MSD_PARAMETER_ERROR0x40#define MSD_RESPONSE_FAILURE0xFF//这部分应根据具体的连线来修改!//战舰STM32开发板使用的是PD2作为SD卡的CS脚.#defineSD_CSPDout(2) //SD卡片选引脚extern u8SD_Type;//SD卡的类型//函数申明区u8 SD_SPI_ReadWriteByte(u8 data);void SD_SPI_SpeedLow(void);void SD_SPI_SpeedHigh(void);u8 SD_WaitReady(void);//等待SD卡准备u8 SD_GetResponse(u8 Response);//获得相应u8 SD_Initialize(void);//初始化u8 SD_ReadDisk(u8*buf,u32 sector,u8 cnt);//读块u8 SD_WriteDisk(u8*buf,u32 sector,u8 cnt);//写块u32 SD_GetSectorCount(void);//读扇区数u8 SD_GetCID(u8 *cid_data);//读SD卡CIDu8 SD_GetCSD(u8 *csd_data);//读SD卡CSD#endif该部分代码主要是一些命令的宏定义以及函数声明，在这里我们设定了SD卡的CS管脚为PD2。保存MMC_SD.H，就可以在主函数里面编写我们的应用代码了，打开test.c文件，在该文件中修改main函数如下：int main(void){u8 key; u8 t=0; u8 *buf;u32 sd_size;Stm32_Clock_Init(9);//系统时钟设置uart_init(72,9600); //串口初始化为9600delay_init(72);//延时初始化LED_Init();//初始化与LED连接的硬件接口LCD_Init();//初始化LCDusmart_dev.init(72);//初始化USMARTKEY_Init();//按键初始化FSMC_SRAM_Init();//初始化外部SRAMmem_init(SRAMIN);//初始化内部内存池POINT_COLOR=RED;//设置字体为红色LCD_ShowString(60,50,200,16,16,"WarShip STM32");LCD_ShowString(60,70,200,16,16,"SD CARD TEST");LCD_ShowString(60,90,200,16,16,"ATOM@ALIENTEK");LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"2012/9/17");LCD_ShowString(60,130,200,16,16,"KEY0:Read Sector 0");while(SD_Initialize())//检测不到SD卡{LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"SD Card Error!");delay_ms(500);LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"Please Check! ");delay_ms(500);LED0=!LED0;//DS0闪烁}POINT_COLOR=BLUE;//设置字体为蓝色//检测SD卡成功LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"SD Card OK");LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"SD Card Size:MB");sd_size=SD_GetSectorCount();//得到扇区数LCD_ShowNum(164,170,sd_size>>11,5,16);//显示SD卡容量（MB）while(1){key=KEY_Scan(0);if(key==KEY_RIGHT)//KEY0按下了{buf=mymalloc(0,512);//在内部内存池，申请512字节内存if(SD_ReadDisk(buf,0,1)==0)//读取0扇区的内容{LCD_ShowString(60,190,200,16,16,"USART1 Sending Data...");printf("SECTOR 0 DATA:");for(sd_size=0;sd_size<512;sd_size++)printf("%x ",buf[sd_size]);//打印0扇区数据printf("DATA ENDED");LCD_ShowString(60,190,200,16,16,"USART1 Send Data Over!");}myfree(0,buf);//释放内存}t++;delay_ms(10);if(t==20){LED0=!LED0;t=0;}}}
