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STM32 SDIO折腾记

分类名:DIY日期:2016-11-30作者:cruelfox
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    这块被我老婆称为“背心”的板子,其实是我的STM32F4实验平台(Nucleo我有,但是光插针用起来也不方便,还得扩展卡)。这块板子的布局是为一个数字音乐播放器设计的,但现在软件工作还缺很多。

    这个月里实验过了STM32F411的时钟配置、DMA、I2C、I2S、SDIO. 其中 SDIO 折腾得最久,拿出来和大家分享下。
    SDIO这个模块主要是为了读写SD存储卡(也可以操作SDIO wifi卡之类的),ST从STM32F10x开始就已经支持SDIO/SDMMC了,因为是硬件专用模块,比用SPI方式读写SD卡效率要高很多,软件也大大简化。我曾经(五年前的事了)在FPGA上为了记录数据,用SPI方式写过SD卡,因为状态机太复杂,用起来很不好用。在8位MCU的时代,用SPI方式操作SD卡已比较流行,可以找到不少的参考代码。SD卡数据线有4条,在SPI模式下就利用不了全部的带宽,STM32的SDIO则是全部数据线都能用上的。

    上图是常见标准尺寸SD卡和MicroSD卡(和TF是同样东西不同叫法)的引脚,下图是STM32 SDIO模块的硬件连接,对应Card bus的引脚连到SD卡(卡座)上。不过,SD卡只有D0..D3四条数据线,STM32的SDIO_D7..4这四条多出来的线以及8位宽度模式是给什么用的?我也不知道。反正多的线也没地方连。

  焊好SD卡座之后:对应SD卡pin都接到MCU上了。卡座上另有CD引脚是检测卡插入的,卡插入后CD与GND连通。还有WP引脚是识别写保护开关用的,我没连它。


  个人的DIY就是折腾,ST官方库已经有SDIO的函数了为何不用?重新发明轮子?我就喜欢这么干,不喜欢烦琐的一层层打包的库函数啊,直接写寄存器才好玩
  先得知道这些信号都干吗的才是,ST手册这个图表示得差不多了

  除了 SDIO_CK 是时钟,只由MCU产生之外,SDIO_CMD和SDIO_Dn都是双向的I/O。SDIO_CMD 是命令通道,由MCU写命令,SD卡写应答;两边交替驱动,都不驱动时为高阻态。SDIO_Dn是实际传输存储数据才用的,在读卡的时候被SD卡驱动,在写卡的时候由MCU驱动写数据和校验,SD卡响应状态。具体时序已经被MCU硬件搞定,CRC计算都已经做好,软件只需要操作SDIO设备APB总线上的寄存器就可以了,要说简单也的确不难。
  上电的操作:检测是否卡片插入了卡座,再使能SDIO模块,给SD卡供电(我加了一个PMOS管做电源开关),配置SDIO时钟,然后等一小会儿就可以发送SD命令了。

  SD卡/MMC卡在初始化阶段,时钟频率不能超过400kHz,所以一开始时钟要设得慢,待初始化完成后再调整。CLKCR这个寄存器还是容易看懂的。在STM32F411上,SDIO部分和USB OTG公用一个48MHz的时钟,所以分频以48MHz计算,而不是从CPU运行频率或APB的频率来算。
  第一条SD命令应当是 GO_IDLE_STATE, 也就是 CMD0, 将SD卡恢复到IDLE状态。不过看SD规范的文档,这条命令是没有应答的,所以执行成功与否也无从知道,比如电路本身就有问题的话……
发送命令还不难,写SDIO_ARG和SDIO_CMD寄存器就是了,命令号在SDIO_CMD里。MCU里面有一个状态机来实现命令过程(Command Path State Machine):

  写命令寄存器,将CPMSEN位置1,才会开始命令过程。然后,状态会反映在 SDIO_STA 这个寄存器中。怎么知道 CMD0 已经完成了呢?SDIO_STA 里面有个 CMDSENT 位. 于是我是这么写的

  接下来该继续初始化的其它命令了。按文档中的介绍,需要告诉SD卡它操作的电压,不满足的不能继续(呃,难道不是已经给电了才能初始化么),好吧,需要 SEND_OP_COND (CMD1)

  我发送了 CMD1 却没有任何响应,搜了下网上资料,这条命令是MMC卡支持的,SD卡不支持…… (汗,ST也写该注明一下吧) 根据我下载的 "SD Physical Layer Spec 2.0" 文档,应该使用 CMD8:

  于是我发送CMD8, 设置电压为2.7~3.6V档,SD卡依然没有反应。 哪里出问题了?命令返回的状态是 timeout, 我用简易示波器看了的确一直没有应答。CMD0 没有起作用?上电再多延时,还是不行。CMD0 和 CMD8 之间延时,也不行。PCB做错了? 又核对一次的确CMD, CLK都没连错啊。从命令表里找了条别的命令来试,也没有响应。换个卡吧,这个实验用的是32MB的,换2GB的,以及4GB的SDHC卡,都还是没有应答……
  搜网上的初始化代码参考吧(然后我发现——天下代码一大抄啊)。发现一个问题是,CMD8 是 SD规范2.0版本才支持的,我的卡可能根本不支持呢。根据CMD8是否响应,判断是否是2.0的卡。什么是2.0?又补了补知识,原来SDHC是2.0以后的,SDXC是3.0以后的了。我只知道SD卡非HC的最大只支持到2GB.
  好吧,我找到一个SD 1.10规范的文档了。心急吃不了热豆腐。

  哦,1.0是说发送ACMD41, 也就是要先发一个 CMD55. 终于,我测试CMD55时,32M的SD卡发出了应答。硬件是没问题的 接下来发送 ACMD41, 却发现返回了CRC错误! 哦,原来这个命令特殊,应答类型没有CRC. 补充说一下,SD命令的应答不尽相同,主要有长应答和短应答两类,预期是长还是短应答需要在SDIO_CMD寄存器中设好,在RESPx寄存器中读取返回的应答数据。
  ACMD41 命令后,应该是CMD2 ALL_SEND_CID命令了。这时又出现了问题,又不响应了。
  该仔细读文档的。ACMD41 命令会返回 busy 状态,需要等待 busy 结束后才能继续。

  注意红字,所以我套一个循环,要判断下若busy则继续循环。结果呢,没有发生busy啊,一次就Pass了。

  还会有哪个步骤出了问题呢?还得读文档,不能着急。我逐渐意识到,SD卡的初始化是一个命令接一个命令相扣的,内部状态不同,能接收的命令也不同,必须一道一道门进入,如这个图:

  然后,里我发现了一个乌龙:居然和上面的话矛盾,BUSY位是该1还是该0表示忙呢? 若我把busy位的判断改成0继续循环,就好了。重试若干次ACMD41后终于Pass.  在关于OCR寄存器的部分,文档是这么说的

  这和我的实践结果一致。哎,这个文档里面自相矛盾太害人了。我找的这个文档是山寨的么???
  接下来还比较顺利,几个命令后进入到了Transfer state, 可以读卡里面的块数据了,并可以设置4-bit模式。

  读一个Block数据,直接用SD命令17, 给一个32位地址就行。需要注意的是,如果是SDHC卡,这个地址就不是字节地址而是块地址了。涉及到的SDIO寄存器有 DTIMER(控制超时), DLEN (传输数量), DCTRL (数据传输使能等),  FIFO (获取读来的数据)。STM32 SDIO负责数据的部分也有一个状态机(Data Path State Machine)

  不过,两个状态机都用同一个状态寄存器STA(不同的位). 我的读程序目前是这么写的

  这个子程序设好传输超时和最大长度,在发送完读命令之后,才把DPSM打开(过早打开了会出错)。然后等待FIFO中有数时,读FIFO寄存器(一次4字节)写到自己的buffer里,直到数据块传输成功的状态,如果出现异常就终止传输。这么查询式读数据效率不高,因为现在程序也不干别的就罢了。将来做播放器我肯定会用DMA来传数据的。

  折腾中出现的插曲还有:32M的SD卡设置时钟到12MHz也正常读,但我另一张2GB的卡最多只能设到1MHz,再快就timeout了。后来用示波器看,发现读命令应答后到出现数据这段等待的时间很长,导致了超时。DTIMER寄存器是按clock个数来定的,SD时钟越快,超时就越短了。我这个2GB的卡,第一次读等待的时间长,后面连续读等待就缩短了。


关键字:STM32 SDIO
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