STM32_SD卡的SDIO通信

本篇将使用CubeMX+Keil, 创建一个SD卡读写的工程。

一、SD卡要点速读

二、SDIO要点速读

三、SD卡座接线原理图

四、CubeMX新建工程

五、CubeMX 生成 SD卡的SDIO通信部分

六、Keil 编辑工程代码

七、实验效果

实现效果，如下图：

一、SD卡速读

SD卡，全称Secure Digital Memory Card（安全数码卡），是嵌入式设备上常用的一种存储介质。

1、尺寸大小分类

按卡的大小分类，可以为3种：

标准SD卡：体积较大，卡侧带写保护开关；常见于相机和摄像机中，用于存储高分辨率照片和视频；
mini SD卡：现在较少看到，已逐渐被microSD卡取代；
Micro SD卡：旧称 TF卡，2004年更名为 Micro SD Card, 常用于扩展手机和平板电脑的存储空间。

每种卡形状大小不一，但功能一样：遵循相同的 SD卡协议、相同的命令集、相同的块大小(512)。只需确保SDIO引脚配置正确，并且遵循SD卡协议发送正确的命令，程序即可通用。

都是SD卡，但习惯上，标准SD叫SD卡，Micro SD叫TF卡。

目前，STM32开发板、Linux开发板等，预留的卡座，一般是TF卡座，因为它占用空间最少。

2、卡的容量及标准分类

在SD卡的表面丝印上，会有HC、XC等字样，表示它所使用的存储标准。

SD: 早期的版本，基本停用，最高 2GB, 分区格式为 FAT12(FAT)、FAT16。
SDHC：容量范围 2GB ~ 32GB，分区格式为 FAT32。
SDXC：容量范围 32GB ~ 2TB，分区格式为 exFAT。
SDUC：容量范围 2TB ~ 128TB，分区格式为 exFAT。

3、SD卡的传输速度

SD卡的可变时钟频率：0~25MHz。当运行在25M+数据带宽4位时，最大理论传输速度是12.5MB/s。

而操作中，会明显低于理论速度，其受限于不同品牌的芯片优化、制造工芯、采用标准等。

SD卡是Flash存储，读写速度特点是：读快、写慢。

SD卡的最低写入速度，用Class等级来标识。

在表面丝印上，一般会有Class字样，它后面的数表示最低写入速度，单位是：MB/s。

或者，会用一个外面带半圆的数字表示。

Class 2：2MB/s
Class 4：4MB/s
Class 6：6MB/s
Class 10：10MB/s

附：常用的SD卡读写速率参考，非严谨值。

SD卡容量	文件系统	写入速度	读取速度
32G（SDHC)	FAT32	2MB/s	8MB/s
32G（SDHC)	exFAT	3.5MB/s	8.5MB/s
64G（SDXC)	exFAT	4MB/s	8.5MB/s

4、SD卡的使用寿命

一般是指：擦除的最大次数。

写入数据时需要先擦除扇区内容。读数据是不影响使用寿命的，写数据才会影响使用寿命。

因此，应避免频繁地对同一地址（扇区）进行写数据。如：使用程序每隔一秒保存一次数据到同一地址，这是不妥当的。

TLC：1000~3000次
MLC：3000 ~1万次
SLC：可达10万次

擦写次数对使用寿命影响较小，而更容易直接“致死”的是：带电插拔，很容易坏卡，主要是静电原因！

二、SDIO要点速读

原理比较复杂，有兴趣的请自行csdn搜更详细的技术文档，或STM32的官方文档。

SD卡的读写通信操作，可以用 SPI、SDIO，本示例使用SDIO。
SDIO接口是在SD内存卡接口的基础上发展起来的；
SDIO接口除了能读写SD内存卡，还能连接其它SDIO接口的设备；
常用的STM32F103C8，没有SDIO接口，F103系列R型号起，才带SDIO；
STM32F4系列芯片，带更完善的SDIO主机接口，能与MMC卡、SD卡、SDI/0卡、EC-ATA设备进行通信；
三种总线模式：1-bit、4-bit、8-bit(不常用）;

三、SD卡座接线原理图

STM32的SDIO外设与SD卡通信，通用接线如下图。

注：当使用弹簧式SD卡座，会有第9个脚(CD), 可不接。它用于判断SD卡是否插入，当插入SD卡时，此脚输出低电平。

四、CubeMX新建工程

建议复制一个已带UART1、printf的工程，这样更省时。

如果没有，可参考以下步骤。

1、新建一个普通的工程

新手可参考如下图解，老司机请直接跳过。

【STM32+CubeMX】新建工程_STM32F407

2、为工程添加UART1通信、printf输出

用于把SD卡的测试信息，（通过USB转TTl），输出到串口助手观察。

如果，你已知晓如何通过printf输出信息，自行添加，跳过即可。

USART1 DMA发送、DMA空闲中断接收不定长数据

UART1 快速实现移植、通信 ( bsp_UART.c 、bsp_UART.h)

五、CubeMX 配置 SD卡的SDIO 初始化

通过 CubeMX配置SDIO, 极度简单。

本节为方便测试，只使用普通的读写方式，后续篇章再添加DMA、FATFS等方式。

1、使能SDIO

Mode：选择SD的四线模式，即 SD 4 bits Wide bus.
参数部分：F4系列不用修改配置，默认即可。F103系列，需把时钟分频系数修改为 6，即SDIOCLK Clock divide factor这一项，由默认0改为6, 不然会通信失败。

2、时钟设置

进入时钟树配置页面。

这时可能会弹出一个询问窗：是否自动配置所需时钟？

选择：NO ，手动修改即可。

如果Yes，它将针对已使能的SDIO进行必须值的配置，而系统时钟值，会被修改为其它值。不推荐。

F4系列，如果板上是25M的晶振，用如下参数值；要是8M的晶振，修改晶振、分频两处为8即可。

重点：箭头所指的Q值，它用于控制USB 、SDIO和随机数生成器的时钟。

这个时钟，必须是 48M !

好了，已完成配置。

重新生成工程，即可！

六、Keil 编辑工程代码

1、打开keil 工程，先重新编译一次。

正常情况，编译是0 Error的。
如果有Error, 应该是新建工程时，路径、名称有中文了，重新开建工程，用英文即可。

2、重要修改：SD卡的初始化，使用 1-bit 模式

CubeMX生成的SDIO初始化代码，有一个bug，需要手动修改，操作如下：

编译后，右击 main.c 文件中函数 MX_SDIO_SD_Init(),
在弹出菜单中：Go To Definition Of ...; 将跳转到SD卡初始化函数;

跳转到 sdio.c文件的 MX_SDIO_SD_Init()函数内部后，

把下图位置中的 4B，改为 1B ；

它下面还有一个4B，不用修改，只修改刚才那个即可。不要改错位置了！

重点：每次重新生成后，都要手动修改一次。如果不修改，初始化过程会导致程序卡死。

3、编写读写测试代码

SD卡的基础读写函数比较简单，常用的函数共4个。

1、获取SD卡信息
HAL_SD_CardInfoTypeDef pCardInfo = {0};          // SD卡信息结构体
HAL_SD_GetCardInfo(&hsd, &pCardInfo);            // 获取 SD 卡的信息

2、读数据
HAL_SD_ReadBlocks(&hsd, aOldData, 7, 2, 3000);   //  SD卡的句柄、数据、块地址、块数量、超时ms

3、写数据
HAL_SD_WriteBlocks(&hsd, aTestData, 7, 2, 3000)  //  SD卡的句柄、数据、块地址、块数量、超时ms

4、擦除数据
HAL_SD_Erase(&hsd, 7, 8)  //  SD卡的句柄、块起始地址、块结束地址

在 main函数内的 /* USER CODE BEGIN 2 */ 注释下方，编写以下代码（可复制）：

示例代码里已附详细注释，比较容易理解，流程是：

获取SD卡信息
读取测试块的原数据
写入测试
擦除测试
写回原数据

    /***************** SD卡读写通信测试 *****************/
    /* 1、获取卡信息，打印到串口助手                    */
    /* 2、读测试：读出测试位置原数据，保存在 aOldData[] */
    /* 3、写测试：在测试的块上，写入指定数据            */
    /*    读出刚才写入的块数据，打印到串口助手观察      */
    /* 4、擦除测试：擦除指定块上的数据                  */
    /*    读出刚才擦除块的数据，打印到串口助手观察      */
    /* 5、写回原数据到指定位置                          */
    /*    读出刚才写入的块数据，打印到串口助手观察      */    

    #define SD_TEST_SIZE    1024                                       // 测试数据的字节数，刚好是2个块大小：2x512
    static uint8_t aOldData[SD_TEST_SIZE] = {0};                       // 用于存放旧数据，先读出来，测试完了，再把旧数据写回去
    static uint8_t aTestData[SD_TEST_SIZE] = {0};                      // 临时缓存，用来存放测试数据
    HAL_SD_CardInfoTypeDef pCardInfo = {0};                            // SD卡信息结构体

    uint8_t status = HAL_SD_GetCardState(&hsd);                        // SD卡状态标志值
    if (status == HAL_SD_CARD_TRANSFER)
    {
        /* 1、获取卡信息，打印到串口助手 */
        HAL_SD_GetCardInfo(&hsd, &pCardInfo);                          // 获取 SD 卡的信息
        printf("\r1、获取SD卡信息 ... \r\n");
        printf("卡类型：%d \r\n", pCardInfo.CardType);                 // 类型返回：0-SDSC、1-SDHC/SDXC、3-SECURED
        printf("卡版本：%d \r\n", pCardInfo.CardVersion);              // 版本返回：0-CARD_V1、1-CARD_V2
        printf("块数量：%d \r\n", pCardInfo.BlockNbr);                 // 可用的块数量
        printf("块大小：%d \r\n", pCardInfo.BlockSize);                // 每个块的大小; 单位：字节
        printf("卡容量：%lluG \r\n", ((unsigned long long)pCardInfo.BlockSize * pCardInfo.BlockNbr) / 1024 / 1024 / 1024);  // 计算卡的容量

        HAL_Delay(1000);                                               // 重要：稍作延时再开始读写测试; 避免有些仿真器烧录期间的多次复位，短暂运行了程序，导致下列读写数据不完整。      
        
        /* 2、读测试：读出测试位置原数据，保存在 aOldData[] */
        printf("\r2、读取测试块的原数据 ... \r\n");
        memset(aOldData, 0, SD_TEST_SIZE);                             // 清0数组的数据
        if (HAL_SD_ReadBlocks(&hsd, aOldData, 7, 2, 3000) == HAL_OK)   // 读SD卡数据块; 参数：SD结构体、数据地址、块起始地址、读的块数量、超时时间;
        {
            while (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER); // 等待卡的读写操作结束
            for (uint32_t i = 0; i < SD_TEST_SIZE; i++)                // 打印 原数据
                printf("%X ",  aOldData[i]);
            printf("\r\n");
        }
        else
        {
            printf("SD卡 读测试 失败!\n");            
        }
        
        /* 3-1、写测试：在测试的块上写入数据 */
        printf("\r3、SD卡 写入测试 ...\r\n");
        memset(aTestData, 0x8, SD_TEST_SIZE);                          // 为数组准备要写入的测试数据：整个数组填充指定值
        if (HAL_SD_WriteBlocks(&hsd, aTestData, 7, 2, 3000) == HAL_OK) // 向SD卡写入数据块; 参数：SD结构体、数据地址、块起始地址、写入的块数量、超时时间;
        {
            while (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER); // 等待卡的读写操作结束
            printf("对指定块写入结束! \r写入的数据是：\n");
            for (uint32_t i = 0; i < SD_TEST_SIZE; i++)                // 打印 写入的数据
                printf("%X ",  aTestData[i]);
            printf("\r\n");
        }
        else
        {
            printf("SD卡 写测试 失败!\n");
        }
        /* 3-2、读出刚才写测试的块内数据 */
        printf("\r现在块内的数据是：\r\n");
        memset(aTestData, 0, SD_TEST_SIZE);                            // 清0数组的数据
        if (HAL_SD_ReadBlocks(&hsd, aTestData, 7, 2, 3000) == HAL_OK)  // 读SD卡数据块; 参数：SD结构体、数据地址、块起始地址、读的块数量、超时时间;
        {
            while (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER); // 等待卡的读写操作结束
            for (uint32_t i = 0; i < SD_TEST_SIZE; i++)                // 打印 写入后块内现在数据
                printf("%X ",  aTestData[i]);
            printf("\r\n");
        }
        else
        {
            printf("SD卡 读测试 失败!\n");
        }

        /* 4-1、擦除测试：擦除指定块上的数据  */
        printf("\r4、擦除块测试 ...\r\n");
        if (HAL_SD_Erase(&hsd, 7, 8) == HAL_OK)                        // 擦除SD卡上的数据; 参数：SD结构体、块的起始地址、块的结束地址
        {
            while (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER); // 等待卡的读写操作结束
            printf("擦除 成功！ \r\n");
        }
        else
        {
            printf("擦除 失败！ \r\n");
        }
        /* 4-2、读取，擦除后指定块上的数据  */
        printf("擦除后，现在块内的数据是：\r\n");
        memset(aTestData, 0, SD_TEST_SIZE);                            // 清0数组的数据
        if (HAL_SD_ReadBlocks(&hsd, aTestData, 7, 2, 3000) == HAL_OK)  // 读SD卡数据块; 参数：SD结构体、数据地址、块起始地址、读的块数量、超时时间;
        {
            while (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER); // 等待卡的读写操作结束
            for (uint32_t i = 0; i < SD_TEST_SIZE; i++)                // 打印 块内现在的数据
                printf("%X ",  aTestData[i]);
            printf("\r\n");
        }
        else
        {
            printf("SD卡 读测试 失败!\n");
        }
        
        /* 5-1、写回测试块上的原数据 */
        printf("\r5、写回原数据 ...\r\n");
        //memset(aOldData, 1, SD_TEST_SIZE);
        if (HAL_SD_WriteBlocks(&hsd, aOldData, 7, 2, 3000) == HAL_OK)  // 向SD卡写入数据块; 参数：SD结构体、数据地址、块起始地址、写入的块数量、超时时间;
        {
            while (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER); // 等待卡的读写操作结束
            printf("写入结束! \n");
        }
        else
        {
            printf("SD卡 写回原数据 失败!\n");
        }        
        /* 5-2、读取，写入后的数据 */
        printf("现在块内的数据是: \r\n");
        memset(aTestData, 0, SD_TEST_SIZE);                            // 清0数组的数据
        if (HAL_SD_ReadBlocks(&hsd, aTestData, 7, 2, 3000) == HAL_OK)  // 读SD卡数据块; 参数：SD结构体、数据地址、块起始地址、读的块数量、超时时间;
        {
            while (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER); // 等待卡的读写操作结束
            for (uint32_t i = 0; i < SD_TEST_SIZE; i++)                // 打印 块内现在的数据
                printf("%X ",  aTestData[i]);
            printf("\r\n\r\n");
        }
        else
        {
            printf("SD卡 读测试 失败! \r\n");
        }
        
        printf("SD卡 读写测试结束！\r\n");
    }

完成后，位置如下图：