SDIO、SD卡和FATFS文件系统理解

一、SDIO接口协议定义说明

1.1 介绍

SDIO 是基于SD标准开发的一种外设接口，其接口定义主要有时钟线、命令/响应线和数据线，数据线分为1位、4位和8位，半双工通信方式，可以与MMC（多媒体卡，Mutiny Media Card ）卡、SD存储卡和SDIO卡通信。

与SD卡和SD IO卡的通信速率（卡时钟）可以设置在0-25MHZ，与MMC卡（V4.0以上）的通信速率可以设置在0-48MHZ，（V3.3以下的设置在0-20Mhz）

SDIO_CK：卡时钟是用来和外部卡进行数据交互的时钟，SDIO_CK = SDIOCLK/(2+CLKDIV)
CLKDIV：分频系数
SDIOCLK：数据通道到以及控制单元的时钟，用来产生卡时钟
HCLK/2：寄存器和FIFO的时钟。

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1.2 通信过程

通过命令线去发送指令，同样通过命令线接收响应，这种类似于IIC通过并转串然后将数据1bit1bit发出来，先传输高位MSB，再传输低位LSB

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如果是多字节传输，先传输低字节，后传输高字节，低字节在低数据总线，高字节在高数据总线。

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如果是宽字节传输，同样是高位先传输，低位后传输，

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如下图所示，可以看到CMD线通过移位寄存器将串行数据接收回来，同样之后会进行CRC校验（硬件），再然后会存入到寄存器中。

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命令传输过程：中间会有等待状态，发送命令时是有控制器驱动，响应的时候是由卡来驱动。

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数据线说明：寄存器可以配置数据总线宽度，如果位宽没有限制，只是在SDIO_D0上面有传输，其中FIFO缓存空间是128个字节（32个字，每个字为4字节），

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SDIO的有响应操作和无响应操作（比如广播）

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如果是读操作和写操作，则需要有数据线去参与。在进行写操作的时候需要注意判断卡处于繁忙状态，不会被写入数据，最后需要发送停止数据传输指令。

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此外也可以进行连续读和连续写操作，即流操作，数据末尾没有CRC校验码，只适用于多媒体卡

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1.3 通信协议

（命令格式：发送，传输位为1）

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命令格式：接收（长响应和短响应，传输位为0）

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具体的命令举例说明：见指令表及程序代码。

二、SD卡/SD IO卡/MMC卡

2.1 SD卡

SD卡类型

标准卡，内存在2GB（2^31 bytes）以内，
大容量卡（2GB<X<32GB），由SD卡2.0协议定义，大容量卡有两种类型，

一种是单状态卡：一块大容量区域

一种是双状态卡：两块区域，一块是大容量卡区域，一块是标准容量卡区域。同一时间只能访问一种区域，可以通过一种机制来选择对应的容量卡区域

SD卡信息寄存器定义：

CID：128位，卡识别号，无法修改
RCA：16位，Relative card address，卡相对地址，无法修改，
DSR：16位，驱动阶段寄存器，可修改
CSD：128位，卡特定数据，关于卡的操作情况说明，不可修改
SCR：64位，SD配置寄存器，SD卡的容量，不可修改
OCR：32位，运行条件寄存器，不可修改
SSR：512位，SD状态，SD卡的专用功能说明，不可修改
CSR：32位，卡状态，关于卡状态的说明，不可修改

两种模式：卡识别模式和数据传输模式。

卡识别模式

①卡复位：CMD0可以进行软复位，使得所有卡进入空闲状态，处于不激活的卡会忽略这条指令

②操作条件验证：首先会进行电压验证，通过CMD8指令，如果可以当前电压可以与卡进行通信，则存在响应，否则无响应，ACMD41指令用来识别和否决不适应由主机提供的电压的卡片。ACMD41是应用特定指令，因此在发送其之前需要发送CMD55指令。先发送CMD8，然后再发送ACMD41。

卡识别流程图

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首先进行CMD0.软复位所以状态卡，之后进行CMD8，检验电压范围是否有效，在发送ACMD41之前，需要发送CMD55，指示下一条指令是应用指令，不是通用指令。

ACMD41，识别到可以正常进行通信的卡，可以OCR里设置HCS（Host Capacity Support）即置1，表明主机（Host）支持大容量SD卡，响应里面会带有CCS位，表明卡状态，1代表是大容量卡。如果CMD8指令无响应，则说明不支持大容量SD卡，ACMD41中OCR busy位置1表明初始化完成，置0表明还处于初始化中。

主机初始化完成后，执行CMD2指令，获取CID码（unique card identification），通过CMD指令线返回，不是数据线。

之后再发送CMD3，询问RCA（Relative card address）相对卡地址，在传输模式中使用，之后进入旁路状态。

以STM32F1代码为例，来讲解 SD卡的初始化及读写流程。

代码实现：初始化时钟

/*初始化时的时钟不能大于400KHz*/ 
  SDIO_InitStructure.SDIO_ClockDiv = SDIO_INIT_CLK_DIV;	/* HCLK = 72MHz, SDIOCLK = 72MHz, SDIO_CK = HCLK/(178 + 2) = 400 KHz */
  SDIO_InitStructure.SDIO_ClockEdge = SDIO_ClockEdge_Rising;
  SDIO_InitStructure.SDIO_ClockBypass = SDIO_ClockBypass_Disable;  //不使用bypass模式，直接用HCLK进行分频得到SDIO_CK
  SDIO_InitStructure.SDIO_ClockPowerSave = SDIO_ClockPowerSave_Disable;	// 空闲时不关闭时钟电源
  SDIO_InitStructure.SDIO_BusWide = SDIO_BusWide_1b;	 				//1位数据线
  SDIO_InitStructure.SDIO_HardwareFlowControl = SDIO_HardwareFlowControl_Disable;//硬件流
  SDIO_Init(&SDIO_InitStructure);
  SDIO_SetPowerState(SDIO_PowerState_ON);	//上电状态,开启卡时钟
  SDIO_ClockCmd(ENABLE);//SDIOCK使能

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发送CMD0，进入空闲状态，循环发送，如果发送成功，则退出循环，cmderror判断发送是否成功，寄存器初始化为0。

for(i=0;i<74;i++)
{
	SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = 0x0;//发送CMD0进入IDLE STAGE模式命令.
    SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_GO_IDLE_STATE; //cmd0
    SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_No;  //无响应
    SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
    SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;  //则CPSM在开始发送命令之前等待数据传输结束。 
    SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);	  		//写命令进命令寄存器
		
		errorstatus=CmdError();    //判断是否发送成功
		if(errorstatus==SD_OK)break;
 }
 if(errorstatus)return errorstatus;//返回错误状态

SD_Error CmdError(void)
{
	SD_Error errorstatus = SD_OK;
	u32 timeout=SDIO_CMD0TIMEOUT;	   
	while(timeout--)
	{
	  if(SDIO_GetFlagStatus(SDIO_FLAG_CMDSENT) != RESET)break;	//命令已发送(无需响应)	 
	}	    
	if(timeout==0)return SD_CMD_RSP_TIMEOUT;  
	SDIO_ClearFlag(SDIO_STATIC_FLAGS);//清除所有标记
	return errorstatus;
}

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CMD寄存器变为400，代表指令0，不需要响应。1000 0000

之后发送CMD8，检查SD卡接口电压，

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = SD_CHECK_PATTERN;	//发送CMD8,短响应,检查SD卡接口特性
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SDIO_SEND_IF_COND;	//cmd8
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;	 //r7
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;			 //关闭等待中断
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);

errorstatus=CmdResp7Error();						//等待R7响应
if(errorstatus==SD_OK) 								//R7响应正常
{
    CardType=SDIO_STD_CAPACITY_SD_CARD_V2_0;		//SD 2.0卡
    SDType=SD_HIGH_CAPACITY;			   			//高容量卡
}

SD_Error CmdResp7Error(void)
{
	SD_Error errorstatus=SD_OK;
	u32 status;
	u32 timeout=SDIO_CMD0TIMEOUT;
 	while(timeout--)
	{
		status=SDIO->STA;
		if(status&((1<<0)|(1<<2)|(1<<6)))break;//CRC错误/命令响应超时/已经收到响应(CRC校验成功)	
	}
 	if((timeout==0)||(status&(1<<2)))	//响应超时
	{																				    
		errorstatus=SD_CMD_RSP_TIMEOUT;	//当前卡不是2.0兼容卡,或者不支持设定的电压范围
		SDIO_ClearFlag(SDIO_FLAG_CTIMEOUT); 			//清除命令响应超时标志
		return errorstatus;
	}	 
	if(status&1<<6)						//成功接收到响应
	{								   
		errorstatus=SD_OK;
		SDIO_ClearFlag(SDIO_FLAG_CMDREND); 				//清除响应标志
 	}
	return errorstatus;
}

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CMD寄存器变为448,10001001000，前六位代表指令8,01代表短响应，100代表使能CPSM状态机，进入空闲状态，响应时R7响应，收到响应，代表支持该电压范围，如果超时，则不是2.0卡或者不支持电压范围。ARG寄存器为发送的参数，1AA 代表检查。。。？

第6位为1，则代表接收响应成功，其他则代表失败

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之后发送CMD55，代表下一条指令是应用指令。

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = 0x00;//发送CMD55,短响应	
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_APP_CMD;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);		//发送CMD55,短响应	 

errorstatus=CmdResp1Error(SD_CMD_APP_CMD); 		 	//等待R1响应

errorstatus=CmdResp1Error(SD_CMD_APP_CMD); 	 	//等待R1响应   
if(errorstatus!=SD_OK)return errorstatus;   	//响应错误

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CMD寄存器变为477，10001 110111，前6位为55,01则为短响应，100使能CPSM状态机

接下来发送ACMD41指令，判断SD卡是否为大容量卡，不支持CMD55指令的卡为MMC卡，469,100 01 101001 41指令，短响应

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SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = SD_VOLTAGE_WINDOW_SD | SDType;	//发送ACMD41,短响应	
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_SD_APP_OP_COND;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;  //r3
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);

errorstatus=CmdResp3Error(); 					//等待R3响应

response=SDIO->RESP1;;			   				//得到响应

if(response&=SD_HIGH_CAPACITY)     //SD_HIGH_CAPCITY = 0x400 0000
{
    CardType=SDIO_HIGH_CAPACITY_SD_CARD;  //支持大容量卡
}

OCR寄存器各位定义，倒数第二位是容量卡定义。

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再之后是CMD2和CMD3指令,CMD2获取SD卡信息，4C2 100 11 000010 指令码为2,11为长响应。

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SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = 0x0;//发送CMD2,取得CID,长响应
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_ALL_SEND_CID;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Long;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);//发送CMD2,取得CID,长响应	  128位

errorstatus=CmdResp2Error(); 					//等待R2响应   
if(errorstatus!=SD_OK)return errorstatus;   	//响应错误		    
CID_Tab[0]=SDIO->RESP1;
CID_Tab[1]=SDIO->RESP2;
CID_Tab[2]=SDIO->RESP3;
CID_Tab[3]=SDIO->RESP4;

CID寄存器定义，Manufacture ID = 0x27 = 39.

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数据传输模式：

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通过CMD9可以获取CSD寄存器数据，比如块长度，块存储容量等。CMD4指令可以配置总线布局以及卡的数量，之后时钟频率从初始化频率的不大于400K，调节到10-25M这个数据传输频段。

RCA = rca;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = (uint32_t)(rca << 16);//发送CMD9+卡RCA,取得CSD,长响应 
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_SEND_CSD;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Long;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);

errorstatus=CmdResp2Error(); 					//等待R2响应   
if(errorstatus!=SD_OK)return errorstatus;   	//响应错误		    
CSD_Tab[0]=SDIO->RESP1;
CSD_Tab[1]=SDIO->RESP2;
CSD_Tab[2]=SDIO->RESP3;						
CSD_Tab[3]=SDIO->RESP4;

CMD7指令可以配置卡进入传输数据状态，但是同时只有一个卡进入传输数据状态，同时发送默认地址0x00，也可以使得卡退出传输状态，重新进入旁路状态。地址由RCA决定，因为在高16位，所以读取的RCA地址需要左移16位，才可以选中该卡通过RCA来区分各个卡的地址。

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument =  addr;//发送CMD7,选择卡,短响应	
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_SEL_DESEL_CARD;//cmd7
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);//发送CMD7,选择卡,短响应

return CmdResp1Error(SD_CMD_SEL_DESEL_CARD);

读写之前的一些操作指令：CMD16设置读写块的大小，一次读多少个字节，CMD32，CMD33，擦除开始和擦除结束指令，ACMD6，设置总线数据宽度，（1bit 4bit 8bit），ACMD23，设置即将擦除块的大小等，ACMD42设置或者清除50K欧姆的上拉电阻。

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument =  blksize;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_SET_BLOCKLEN;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);//发送CMD16+设置数据长度为blksize,短响应

errorstatus=CmdResp1Error(SD_CMD_SET_BLOCKLEN);	//等待R1响应

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = (u32)RCA<<16;//发送CMD13,查询卡的状态,短响应 	
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_SEND_STATUS;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);	

errorstatus=CmdResp1Error(SD_CMD_SEND_STATUS);		//等待R1响应

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument =nblks;		//发送CMD23,设置块数量,短响应 	 
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_SET_BLOCK_COUNT;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);

errorstatus=CmdResp1Error(SD_CMD_SET_BLOCK_COUNT);//等待R1响应

写数据块：CMD24（单块写入）：写入一个块的大小，在标准容量卡有效，大容量卡，固定512字节。CMD25（多块写入）：直到CMD12 停止写入指令。

CMD42：上锁或者解锁，设置密码或者复位密码。CMD56：主机设置读卡或者写卡。

CMD254单块写入

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = addr;//发送CMD24,写单块指令,短响应 	
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_WRITE_SINGLE_BLOCK;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);	

errorstatus=CmdResp1Error(SD_CMD_WRITE_SINGLE_BLOCK);//等待R1响应 

StopCondition=0;									//单块写,不需要发送停止传输指令 

SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataBlockSize= power<<4; ;	//blksize, 控制器到卡	
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataLength= blksize ;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataTimeOut=SD_DATATIMEOUT ;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DPSM=SDIO_DPSM_Enable;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_TransferDir=SDIO_TransferDir_ToCard;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_TransferMode=SDIO_TransferMode_Block;
SDIO_DataConfig(&SDIO_DataInitStructure);

CMD25 多块写入

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument =addr;	//发送CMD25,多块写指令,短响应 	  
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_WRITE_MULT_BLOCK;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);	

errorstatus=CmdResp1Error(SD_CMD_WRITE_MULT_BLOCK);	//等待R1响应   		   

if(errorstatus!=SD_OK)return errorstatus;

SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataBlockSize= power<<4; ;	//blksize, 控制器到卡	
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataLength= nblks*blksize ;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataTimeOut=SD_DATATIMEOUT ;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DPSM=SDIO_DPSM_Enable;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_TransferDir=SDIO_TransferDir_ToCard;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_TransferMode=SDIO_TransferMode_Block;
SDIO_DataConfig(&SDIO_DataInitStructure);

CMD12 停止写入。

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument =0;//发送CMD12+结束传输 	  
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_STOP_TRANSMISSION;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);	

errorstatus=CmdResp1Error(SD_CMD_STOP_TRANSMISSION);//等待R1响应   
if(errorstatus!=SD_OK)return errorstatus;

读数据块：CMD17读单个块，CMD18读多个块，CMD30，写保护，大容量卡不支持改指令。ACMD13：发送卡状态，ACMD:22：发送写入块的数量，ACMD51：读取SCR寄存器内容。

SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataBlockSize= power<<4 ;//配置读取的数据个数
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataLength= blksize ;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataTimeOut=SD_DATATIMEOUT ;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DPSM=SDIO_DPSM_Enable;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_TransferDir=SDIO_TransferDir_ToSDIO;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_TransferMode=SDIO_TransferMode_Block;
SDIO_DataConfig(&SDIO_DataInitStructure);

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument =  addr;   //参数
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_READ_SINGLE_BLOCK;  //指令码
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);//发送CMD17+从addr地址出读取数据,短响应

各指令定义表。

SDIO、SD卡和FATFS文件系统理解

2.2 SD I/O卡

SDIO卡就是支持SDIO接口的卡，其卡的功能多种多样，比如支持WIFI或者BlueTooth等，SDIO卡和SD存储卡是兼容的，在机械、电气指令和软件上面，SDIO卡对于移动电子设备，提供了一个高速度的数据传输，可以作为SIOD设备被识别。

SDIO卡分为两种：高速和低速。

高速：支持SPI模式和SDIO（1bit、4bit（必须））0-25MHZ
低速：支持SPI模式和SDIO（1bit、4bit（可选）） 0-400KHZ

SD卡以及SDIO卡不同的指令，因为对于SDIO卡来说，SD卡的有些指令没用，比如擦除指令等。

SDIO、SD卡和FATFS文件系统理解

2.3 MMC卡（多媒体卡）

再续

三、FATFS文件系统

再续

SDIO、SD卡和FATFS文件系统理解

一、SDIO接口协议定义说明

1.1 介绍

1.2 通信过程

1.3 通信协议

二、SD卡/SD IO卡/MMC卡

2.1 SD卡

SD卡类型

SD卡信息寄存器定义：

两种模式：卡识别模式和数据传输模式。

各指令定义表。

2.2 SD I/O卡

2.3 MMC卡（多媒体卡）

三、FATFS文件系统

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