1. 概述
SD卡(Secure Digital Memory Card)，基于MMC发展而来，被广泛应用于数码产品中。
SD卡可分为3类：SD卡(0~2G)、SDHC卡(2~32G)、SDXC卡(32G~2T)。
SD卡有9个PIN，支持SPI和SDIO模式：
| PIN | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| SDIO | CD/DAT3 | CMD | VSS | VCC | CLK | VSS | DAT0 | DAT1 | DAT2 |
| SPI | CS | MOSI | VSS | VCC | CLK | VSS | MISO | NC | NC |
2. SD初始化
这里介绍SD卡在SPI模式下的初始化流程。
在SD卡进入SPI模式后，至少发送74个时钟后才能发送CMD0命令，且时钟周期不能大于400KHz。
SD卡有6类响应：R1/R1b/R2/R3/R6/R7。
在发送ACMD命令前，要先发CMD55命令。
关于具体命令格式和响应内容可参看"SD Specifications Part 1 Physical Layer Simplified Specification"
3. SPI读写操作
SD 单块读
(1) 发送 CMD17(收到 0x00 表示发送成功)
(2) 连续读取直到读到 0xFE
(3) 读一个 BLOCK
(4) 读 2 字节 CRC
SD 卡多块读
(1) 发送 CMD18(收到 0x00 表示发送成功)
(2) 连续读取直到读到 0xFE
(3) 读一个 BLOCK
(4) 读 2 字节 CRC
(5) 重复(2)-(4)
(6) 发送 CMD12 停止
SD 卡单块写
(1) 发送 CMD24(收到 0x00 表示发送成功)
(2) 发送若干时钟
(3) 发送开始标志 0xFE
(4) 发送一个 BLOCK
(5) 发送两个字节的 CRC
(6) 连续读直到 xxx0_0101 表示写入成功
(7) 连续读忙检测，直到 0xFF 完成
SD 卡单块写
(1) 发送 CMD25(收到 0x00 表示发送成功)
(2) 发送若干时钟
(3) 发送开始标志 0xFC
(4) 发送一个 BLOCK
(5) 发送两个字节的 CRC
(6) 连续读直到 xxx0_0101 表示写入成功
(7) 重复(2)-(6)
(8) 发送 0xFD 停止写操作
(9) 连续读忙检测，直到 0xFF 完成
4.搭建QSYS系统
选择NIOS2处理器，这里选择快速型的32位处理器。
添加内存、串口、GPIO模块，这里用GPIO模拟SPI接口。
5. SPI驱动程序
用GPIO模拟SPI接口，设置SPI_CS、SPI_SCLK、SPI_MOSI为输出，SPI_MISO为输入。
SPI时序采用CPOL=1,CPHA=1(Format B)，如下图：
驱动代码如下：
#include <io.h>
#define u8 unsigned char
#define u32 unsigned int
#define SD_CS_SET (IOWR(SPI_CS_BASE,0,1))
#define SD_CS_CLR (IOWR(SPI_CS_BASE,0,0))
#define SD_SCLK_SET (IOWR(SPI_SCLK_BASE,0,1))
#define SD_SCLK_CLR (IOWR(SPI_SCLK_BASE,0,0))
#define SD_SDI_HIGH (IORD(SPI_MISO_BASE,0)==1)
#define SD_SDI_LOW (IORD(SPI_MISO_BASE,0)==0)
#define SD_SDO_SET (IOWR(SPI_MOSI_BASE,0,1))
#define SD_SDO_CLR (IOWR(SPI_MOSI_BASE,0,0))
u8 SD_Type=0;
u32 cyc=64;
//SD卡初始化的时候,需要低速
void SD_SPI_SpeedLow(void){
cyc = 512;
}
//SD卡正常工作的时候,可以高速了
void SD_SPI_SpeedHigh(void){
cyc = 8;
}
void delay(void){
u32 i;
for(i=0;i<cyc;i++);
}
u8 SpiRead(void){
u8 i;
u8 data=0;
SD_SCLK_SET;
//read data
for(i=0;i<8;i++){
SD_SCLK_CLR;
delay();
SD_SCLK_SET;
if(SD_SDI_HIGH)
data = data | 0x0001;
delay();
if(i<7)
data = data << 0x0001;
}
SD_SCLK_SET;
return data;
}
u8 SpiWrite(u8 data){
u8 i;
SD_SCLK_SET;
//send data
for(i=0;i<8;i++){
SD_SCLK_CLR;
IOWR(SPI_MOSI_BASE,0,(data<<i)>>7);
delay();
SD_SCLK_SET;
delay();
}
SD_SCLK_SET;
return 0;
}6. SD初始化与读写程序
//取消选择,释放SPI总线
void SD_DisSelect(void)
{
SD_CS_SET;
SpiWrite(0xff);//提供额外的8个时钟
}
//选择sd卡,并且等待卡准备OK
//返回值:0,成功;1,失败;
u8 SD_Select(void)
{
SD_CS_CLR;
if(SD_WaitReady()==0)return 0;//等待成功
SD_DisSelect();
return 1;//等待失败
}
//等待卡准备好
//返回值:0,准备好了;其他,错误代码
u8 SD_WaitReady(void)
{
u32 t=0;
do
{
if(SpiRead()==0XFF)return 0;//OK
t++;
}while(t<0XFFFFFF);//等待
return 1;
}
//等待SD卡回应
//Response:要得到的回应值
//返回值:0,成功得到了该回应值
// 其他,得到回应值失败
u8 SD_GetResponse(u8 Response)
{
u16 Count=0xFFFF;//等待次数
while ((SpiRead()!=Response)&&Count)
Count--;//等待得到准确的回应
if (Count==0)
return MSD_RESPONSE_FAILURE;//得到回应失败
else
return MSD_RESPONSE_NO_ERROR;//正确回应
}
//从sd卡读取一个数据包的内容
//buf:数据缓存区
//len:要读取的数据长度.
//返回值:0,成功;其他,失败;
u8 SD_RecvData(u8*buf,u16 len)
{
if(SD_GetResponse(0xFE))return 1;//等待SD卡发回数据起始令牌0xFE
while(len--)//开始接收数据
{
*buf=SpiRead();
buf++;
}
//下面是2个伪CRC（dummy CRC）
SpiWrite(0xFF);
SpiWrite(0xFF);
return 0;//读取成功
}
//向sd卡写入一个数据包的内容 512字节
//buf:数据缓存区
//cmd:指令
//返回值:0,成功;其他,失败;
u8 SD_SendBlock(u8*buf,u8 cmd)
{
u16 t;
if(SD_WaitReady())return 1;//等待准备失效
SpiWrite(cmd);
if(cmd!=0XFD)//不是结束指令
{
for(t=0;t<512;t++)
SpiWrite(buf[t]);//提高速度,减少函数传参时间
SpiWrite(0xFF);//忽略crc
SpiWrite(0xFF);
t=SpiRead();//接收响应
if((t&0x1F)!=0x05)return 2;//响应错误
}
return 0;//写入成功
}
//向SD卡发送一个命令
//输入: u8 cmd 命令
// u32 arg 命令参数
// u8 crc crc校验值
//返回值:SD卡返回的响应
u8 SD_SendCmd(u8 cmd, u32 arg, u8 crc)
{
u8 r1;
u8 Retry=0;
SD_DisSelect();//取消上次片选
if(SD_Select())return 0XFF;//片选失效
//发送
SpiWrite(cmd | 0x40);//分别写入命令
SpiWrite(arg >> 24);
SpiWrite(arg >> 16);
SpiWrite(arg >> 8);
SpiWrite(arg);
SpiWrite(crc);
if(cmd==CMD12)SpiWrite(0xff);//Skip a stuff byte when stop reading
//等待响应，或超时退出
Retry=0X1F;
do
{
r1=SpiRead();
}while((r1&0X80) && Retry--);
//返回状态值
return r1;
}
//获取SD卡的CID信息，包括制造商信息
//输入: u8 *cid_data(存放CID的内存，至少16Byte）
//返回值:0：NO_ERR
// 1：错误
u8 SD_GetCID(u8 *cid_data)
{
u8 r1;
//发CMD10命令，读CID
r1=SD_SendCmd(CMD10,0,0x01);
if(r1==0x00)
{
r1=SD_RecvData(cid_data,16);//接收16个字节的数据
}
SD_DisSelect();//取消片选
if(r1)
return 1;
else
return 0;
}
//获取SD卡的CSD信息，包括容量和速度信息
//输入:u8 *cid_data(存放CID的内存，至少16Byte）
//返回值:0：NO_ERR
// 1：错误
u8 SD_GetCSD(u8 *csd_data)
{
u8 r1;
r1=SD_SendCmd(CMD9,0,0x01);//发CMD9命令，读CSD
if(r1==0)
{
r1=SD_RecvData(csd_data, 16);//接收16个字节的数据
}
SD_DisSelect();//取消片选
if(r1)
return 1;
else
return 0;
}
//获取SD卡的总扇区数（扇区数）
//返回值:0： 取容量出错
// 其他:SD卡的容量(扇区数/512字节)
//每扇区的字节数必为512，因为如果不是512，则初始化不能通过.
u32 SD_GetSectorCount(void)
{
u8 csd[16];
u32 Capacity;
u8 n;
u16 csize;
//取CSD信息，如果期间出错，返回0
if(SD_GetCSD(csd)!=0) return 0;
//如果为SDHC卡，按照下面方式计算
if((csd[0]&0xC0)==0x40) //V2.00的卡
{
csize = csd[9] + ((u16)csd[8] << 8) + 1;
Capacity = (u32)csize << 10;//得到扇区数
}else//V1.XX的卡
{
n = (csd[5] & 15) + ((csd[10] & 128) >> 7) + ((csd[9] & 3) << 1) + 2;
csize = (csd[8] >> 6) + ((u16)csd[7] << 2) + ((u16)(csd[6] & 3) << 10) + 1;
Capacity= (u32)csize << (n - 9);//得到扇区数
}
return Capacity;
}
//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_SDO_SET;
SD_SCLK_SET;
SD_CS_SET;
SD_SPI_SpeedLow(); //设置到低速模式
for(i=0;i<10;i++)
SpiWrite(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--);
//log
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]=SpiRead(); //Get trailing return value of R7 resp
}
if(buf[2]==0X01&&buf[3]==0XAA)//2.7~3.6V
{
retry=0XFFFE;
do
{
SD_SendCmd(CMD55,0,0X01); //
r1=SD_SendCmd(CMD41,0x40000000,0X01);//
}while(r1&&retry--);
if(retry&&SD_SendCmd(CMD58,0,0X01)==0)//
{
for(i=0;i<4;i++)
buf[i]=SpiRead();//
if(buf[0]&0x40)
SD_Type=SD_TYPE_V2HC; //
else
SD_Type=SD_TYPE_V2;
}
}
}
else//SD V1.x/ MMC V3
{
SD_SendCmd(CMD55,0,0X01); //发送CMD55
r1=SD_SendCmd(CMD41,0,0X01); //发送CMD41
if(r1<=1)
{
SD_Type=SD_TYPE_V1;
retry=0XFFFE;
do //等待退出IDLE模式
{
SD_SendCmd(CMD55,0,0X01); //发送CMD55
r1=SD_SendCmd(CMD41,0,0X01);//发送CMD41
}while(r1&&retry--);
}else
{
SD_Type=SD_TYPE_MMC;//MMC V3
retry=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
}
//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)//指令发送成功
{
r1=SD_RecvData(buf,512);//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;//
}
//写SD卡
//buf:数据缓存区
//sector:起始扇区
//cnt:扇区数
//返回值:0,ok;其他,失败.
u8 SD_WriteDisk(u8*buf,u32 sector,u8 cnt)
{
u8 r1;
if(SD_Type!=SD_TYPE_V2HC)sector *= 512;//转换为字节地址
if(cnt==1)
{
r1=SD_SendCmd(CMD24,sector,0X01);//读命令
if(r1==0)//指令发送成功
{
r1=SD_SendBlock(buf,0xFE);//写512个字节
}
}else
{
if(SD_Type!=SD_TYPE_MMC)
{
SD_SendCmd(CMD55,0,0X01);
SD_SendCmd(CMD23,cnt,0X01);//发送指令
}
r1=SD_SendCmd(CMD25,sector,0X01);//连续读命令
if(r1==0)
{
do
{
r1=SD_SendBlock(buf,0xFC);//接收512个字节
buf+=512;
}while(--cnt && r1==0);
r1=SD_SendBlock(0,0xFD);//接收512个字节
}
}
SD_DisSelect();//取消片选
return r1;//
}7. 测试结果
写入512个循环递增的字节，并将其读出打印在串口终端：
