SDIO-TF CARD


  • 本SDIO例程,测试过程中会将SD卡的数据直接删除,相当于将SD卡格式化,请使用一张没有数据的SD卡进行测试。 数据丢失后果自负。

SD卡是我们日常使用的电子设备,例如用在相机、个人数据存储。部分手机也会使用TF卡作扩展存储使用。

SD存储卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备,由于它体积小、数据传输速度快、可热插拔等优良的特性,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(外语缩写PDA)和多媒体播放器等。

SD卡标准使用SDIO接口通信,也支持SPI接口。在日常使用情景,例如相机、读卡器等,都是使用SDIO通信,SDIO使用4个数据线,速度比SPI要快。 SD卡使用SDIO口通信过程遵循SD卡规范,这个规范不简单,涉及到较多的命令交互和状态转换。通常芯片厂家都会提供相关例程,用户不需要重新开发SDIO通信程序。本例程通过移植ST官方的例程实现与SD卡通信。

关于SD卡协议细节,请自行学习研究。

SDIO接口

SDIO:安全数字输入输出接口。 STM32F407,原生支持。 关于SDIO接口,在《STM32F4xx中文参考手册.pdf》文档有说明。 特性

下图是SDIO框图, 框图

这是一个总框图,主要说明外部连接。 对于SDIO适配器,并没有详细说明。我猜测原因是,其实SDIO是一个比较复杂的设备,类似USB。 通常这种复杂外设,我们都不会自己开发驱动,都是用官方提供的例程。

  1. 总线的通信基于命令和数据传输。其实这是大部分外设的相同之处。
  2. SDIO接口总共有6根线(4位位宽),其中命令只通过CMD线传输。因此在调试的时候如果命令正常,读写数据不正常,说明仅仅是数据线问题

SDID接口除了用于控制SD卡等卡之外,也可以控制SDIO接口的其他模块,例如SDIO接口的WIFI模块

SDIO接口存储卡

常见的卡有下面两种 SD 卡,俗称大卡。

SD卡是由松下电器、东芝和SanDisk联合推出,1999年8月发布。

SD卡 TF卡,俗称小卡,2004年标准协会更名为micro SD卡。 TF卡

其实在SD卡之前,最先出现的是MMC卡。 下图这种就是MMC卡,只有SD卡一半大小,通常我们都用一个卡尾拼成SD卡用。

MMC(Multi-Media Card,多媒体卡)由西门子公司Siemens和SanDisk于1997年推出。

MMC卡

这些卡的协议基本都是兼容的。具体可以看我们资料包中提供的文档。 大部分文档是sandisk和SD卡协会编写的。 协议资料 话说这些资料全英文,一时半会儿看不懂。

原理图

屋脊雀4074开发板选用TF卡座,减少体积,这也是当前电子产品的趋势。 原理图

SDIO接口使用6根管脚。 CLK是通信时钟 CMD是命令串行通信线。 DATA数据线有四根。 右边的SD_CARD_DET_N是卡插入检测 SDIO接口,CLK不需要上拉电阻,其他5根IO需要加上拉电阻。

驱动设计

前面说到,SDIO是一个复杂的协议,SD卡、TF卡是一个较复杂设备。要完全弄清楚,非常不容易,更加不要说自己写一套了。 通常,这种复杂的协议,我们不自己开发,都是芯片厂提供驱动代码。

前面几个章节的调试,我们直接参考标准库接口,再根据参考手册,就可以进行编码了。 但是类似USB,SD卡,网络等较复杂的设备,通常做法是从官方提供的库入手。 特别是USB通信,个人基本不可能写一套库出来,也没这个必要。

移植调试

在移植之前,先对官方例程进行分析学习。

例程分析

在标准库下面有SD卡例程,路径如下

STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.8.0\Project\STM32F4xx_StdPeriph_Examples\SDIO\SDIO_uSDCard

在目录下有一个readme.txt文件。看东西,先从readme入手。 从readme中可以看出,STM32F407芯片的SDIO的驱动在 STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.8.0\Utilities\STM32_EVAL\STM3240_41_G_EVAL目录下, 名字叫stm324xg_eval_sdio_sd.c和stm324xg_eval.c。 其中stm324xg_eval.c仅仅提供了较底层的初始化。 看来主要代码都在stm324xg_eval_sdio_sd.c里面。 stm324xg_eval_sdio_sd.c 例程还包括以下文件

路径:STM32F4xx_DSP_StdPeriph_Lib_V1.8.0\Project\STM32F4xx_StdPeriph_Examples\SDIO\SDIO_uSDCard

  • SDIO/SDIO_uSDCard/system_stm32f4xx.c STM32F4xx system clock configuration file
  • SDIO/SDIO_uSDCard/stm32f4xx_conf.h Library Configuration file
  • SDIO/SDIO_uSDCard/stm32f4xx_it.c Interrupt handlers
  • SDIO/SDIO_uSDCard/stm32f4xx_it.h Interrupt handlers header file
  • SDIO/SDIO_uSDCard/main.c Main program
  • SDIO/SDIO_uSDCard/main.h Main program header file

下一步,我们就浏览这六个文件,熟悉其中的流程与调用关系。 使用SI创建一个SDIO_EVAL工程,将以上提到的文件添加到工程,用SI分析程序相当方便。 为了防止无意中修改库文件,我们把文件拷贝一份

SD卡例程源文件 从MAIN函数入手,程序首先对SD进行初始化。然后进行块测试,分别进行擦块,单块测试,多块测试。


  /*------------------------------ SD Init ----------------- */
  if((Status = SD_Init()) != SD_OK)
  {
    STM_EVAL_LEDOn(LED4);
  }

  while((Status == SD_OK) && (uwSDCardOperation != SD_OPERATION_END)
        && (SD_Detect()== SD_PRESENT))
  {
    switch(uwSDCardOperation)
    {
      /*-------------------------- SD Erase Test --------- */
      case (SD_OPERATION_ERASE):
      {
        SD_EraseTest();
        uwSDCardOperation = SD_OPERATION_BLOCK;
        break;
      }
      /*------------------- SD Single Block Test --------- */
      case (SD_OPERATION_BLOCK):
      {
        SD_SingleBlockTest();
        uwSDCardOperation = SD_OPERATION_MULTI_BLOCK;
        break;
      }       
      /*------------------- SD Multi Blocks Test --------- */
      case (SD_OPERATION_MULTI_BLOCK):
      {
        SD_MultiBlockTest();
        uwSDCardOperation = SD_OPERATION_END;
        break;
      }              
    }
  }

从函数SD_Error SD_Init(void)跟下去。 函数首先调用了SDIO底层初始化,然后读卡,进行Power On了,上电成功就初始化。 先看看SDIO底层初始化了什么。

SD_Error SD_Init(void)
{
  __IO SD_Error errorstatus = SD_OK;

  /* SDIO Peripheral Low Level Init */
   SD_LowLevel_Init();

  SDIO_DeInit();

  errorstatus = SD_PowerON();

void SD_LowLevel_Init(void)函数就在前面提到过的stm324xg_eval.c文件内,也就是官方的DEMO板的初始化文件。 我个人觉得这些代码应该放到mcu_sdio驱动内。 这个文件与SD卡有关的也就四个函数,前面两个是SDIO口初始化,后面两个是SDIO使用DMA的初始化。

void SD_LowLevel_DeInit(void);
void SD_LowLevel_Init(void);
void SD_LowLevel_DMA_TxConfig(uint32_t *BufferSRC, uint32_t BufferSize);
void SD_LowLevel_DMA_RxConfig(uint32_t *BufferDST, uint32_t BufferSize);

回到SD_Init(void),后续调用的函数全部都在本文件了。 再回到main,看测试程序在哪里。 就放在main函数下面,这些函数我倒觉得应该放在SD卡驱动里面。当然,个人意见。 SD卡测试函数 其他几个文件,前面例程已经在使用,我们就对比一下看看差异。

stm32f4xx_conf.h,有差别,但是与SD卡无关。 stm32f4xx_conf.h差异

stm32f4xx_it.c,多了两个中断处理,移植的时候记得拷贝。 stm32f4xx_it.c差异

stm32f4xx_it.h多一个SDIO中断的声明,无关紧要 stm32f4xx_it.h差异

system_stm32f4xx.c,差别较大,但是很多都是为了兼容其他芯片的条件编译。 但是这个文件主要是初始化时钟,如果移植后调试不顺利,有问题,需要回来认真分析这个文件。 system_stm32f4xx.c差异

OK,下一步我们就开始移植了。

移植调试过程

  1. 建立一个mcu_sdio驱动,将stm324xg_eval.c里的四个函数作为mcu_sdio驱动,拷贝到mcu_sdio.c。 stm324xg_eval.h里面与SD卡相关的定义也要拷贝到mcu_sdio.h里面。

  2. stm324xg_eval_sdio_sd.c跟stm324xg_eval_sdio_sd.h我们就直接使用。 作为board_dev驱动。

  3. 将main.c里面的SD卡测试程序拷贝到stm324xg_eval_sdio_sd.c最后,作为驱动测试程序使用。 原来的测试程序使用了一些官方硬件上的LED,我们全部改为串口调试信息输出。

  4. 有一个需要特别关注的地方就是static void NVIC_Configuration(void)函数,这个函数的第一行就设置了NVIC的分组,也就是中断优先级分组,这个是ARM核相关。关于NVIC,前面章节有说明。

  5. 把stm32f4xx_it.c里面的两个中断入口拷贝到我们的stm32f4xx_it.c文件。

  6. 将新文件添加到工程,编译。21个错误,一个一个解决。挑几个看看 ..\mcu_dev\mcu_sdio.c(67): error: #20: identifier "SD_DETECT_GPIO_CLK" is undefined 因为mcu_sdio.c没有包含mcu_sdio.h。增加#include "mcu_sdio.h"。 其实在我的个人认识当中,h文件应该是提供给外部使用。 哪些仅仅是驱动内部使用的定义,最好是定义到C文件内,不让其他文件看到。减少不必要的耦合。

  7. 重新编译,还有一个错误 ..\board_dev\stm324xg_eval_sdio_sd.h(39): error: #5: cannot open source input file "stm324xg_eval.h": No such file or directory 改为包含mcu_sdio.h。
  8. 又有38个错误了。 ..\board_dev\stm324xg_eval_sdio_sd.h(128): error: #20: identifier "uint32_t" is undefined 应该是没包含stm32的头文件, 官方stm324xg_eval_sdio_sd.h包含了#include "stm324xg_eval.h", 然后stm324xg_eval.h包含了#include "stm32f4xx.h"和#include "stm32_eval_legacy.h",我们在mcu_sdio.h中包含#include "stm32f4xx.h"。
  9. 编译没有错误了。
  10. 开始做硬件移植,在mcu_sdio.h第20行,例程用PH13做SD卡检测,我们都没有H口。我们用的是PC13.
  11. 在mcu_sdio.c的初始化中,进行了初始化,个人认为这些跟硬件相关的,还是放到一处用宏定义较好,方便移植修改。 数据线,和我们的硬件一样,不需要修改。
/* Configure PC.08, PC.09, PC.10, PC.11 pins: D0, D1, D2, D3 pins */
命令线,也跟我们一样。
/* Configure PD.02 CMD line */
时钟线也一样。
/* Configure PC.12 pin: CLK pin */
  1. 那么就是检测脚不一样,我们看看这个管脚怎么用的。搜索后发现有一个SD_Detect函数在使用。
/**
 * @brief  Detect if SD card is correctly plugged in the memory slot.
 * @param  None
 * @retval Return if SD is detected or not
 */
uint8_t SD_Detect(void)
{
  __IO uint8_t status = SD_PRESENT;

  /*!< Check GPIO to detect SD */
  if (GPIO_ReadInputDataBit(SD_DETECT_GPIO_PORT, SD_DETECT_PIN) != Bit_RESET)
  {
    status = SD_NOT_PRESENT;
  }
  return status;
}
  1. SDCardState SD_GetState(void)和测试程序会使用SD_Detect。到这里看出,检测管脚就是一个普通IO口,没有使用中断等其他功能,直接修改为我们的管脚即可。
  2. 重新编译,插上TF卡,下载程序运行。 初始化不成功。在初始化函数添加调试信息。 成功上电,进入初始化,卡信息也获取成功了,选卡也成功。 选卡成功 我们先看一下卡信息,卡信息结构体如下:
/**
  * @brief SD Card information
  */
typedef struct
{
  SD_CSD SD_csd;
  SD_CID SD_cid;
  uint64_t CardCapacity;  /*!< Card Capacity */
  uint32_t CardBlockSize; /*!< Card Block Size */
  uint16_t RCA;
  uint8_t CardType;
} SD_CardInfo;

CSD跟CID是卡信息,包含比较多信息。例如卡什么卡,什么版本,V1.0,还是2.0等。 本处我们先把容量Capacity跟Block Size打印出来,看跟我们的卡是不是一致。 调试代码如下,要注意的地方是容量的处理:如果直接使用uart_printf打印容量,打印出来一个10,不正确,要拆分为两部分打印。

  /*----------------- Read CSD/CID MSD registers ------------------*/
  errorstatus = SD_GetCardInfo(&SDCardInfo);
    uart_printf("\r\n-------SD_GetCardInfo ok----------\r\n");

    uint32_t *p;
    p = (uint32_t *)&(SDCardInfo.CardCapacity);
    uart_printf("\r\n-------CardCapacity:%08X----------\r\n", *(p+1));
    uart_printf("\r\n-------CardCapacity:%08X----------\r\n", *(p+0));   
    uart_printf("\r\n-------CardBlockSize:%d ----------\r\n", SDCardInfo.CardBlockSize);

    uart_printf("\r\n-------RCA:%d ----------\r\n", SDCardInfo.RCA);
    uart_printf("\r\n-------CardType:%d ----------\r\n", SDCardInfo.CardType);

卡信息调试LOG:

-------dev_sdio_test---------- -------SD_PowerON ok---------- -------SD_InitializeCards ok---------- -------SD_csd.DeviceSize:15271---------- -------SD_GetCardInfo ok---------- -------CardCapacity:00000001---------- -------CardCapacity:DD400000---------- -------CardBlockSize:512 ---------- -------RCA:2 ---------- -------CardType:2 ----------

还有,刚刚等了很久发现,初始化返回结果4,数据超时。

  1. 查看SD_Error SD_EnableWideBusOperation(uint32_t WideMode),分析大概流程后加上调试信息。 应该是陷入static SD_Error SDEnWideBus(FunctionalState NewState)超时。 源码1103行
    else if (SDIO_BusWide_4b == WideMode)
    {
      errorstatus = SDEnWideBus(ENABLE);
      uart_printf("SDEnWideBus:%d\r\n", errorstatus);

经查,在FindSCR处,源码2438行。

   uart_printf("SDIO_GetResponse ok\r\n");
  /*!< Get SCR Register */
  errorstatus = FindSCR(RCA, scr);
    uart_printf("FindSCR:%d\r\n", errorstatus);

FindScr函数内有个while,估计程序就是卡在这里,源码2760行

while (!(SDIO->STA & (SDIO_FLAG_RXOVERR | SDIO_FLAG_DCRCFAIL
  | SDIO_FLAG_DTIMEOUT | SDIO_FLAG_DBCKEND | SDIO_FLAG_STBITERR)))
{
    if (SDIO_GetFlagStatus(SDIO_FLAG_RXDAVL) != RESET)
    {
      *(tempscr + index) = SDIO_ReadData();
      index++;
    }
}
  1. 我想骂人,我刚刚说SD卡读不到数据,硬件说他看下,回来跟我说有3个跳线电阻没焊。我想杀人。 看来以后要先学会怀疑别人,再证明自己清白
  2. 硬件修改后,SD卡初始化成功,但是测试失败。

    -------dev_sdio_test---------- -------SD_PowerON ok---------- -------SD_InitializeCards ok---------- -------SD_csd.DeviceSize:15271---------- -------SD_GetCardInfo ok---------- -------CardCapacity:00000001---------- -------CardCapacity:DD400000---------- -------CardBlockSize:512 ---------- -------RCA:2 ---------- -------CardType:2 ---------- -------SD_SelectDeselect ok---------- SDIO_GetResponse ok FindSCR:0 2453 mdResp1Error:0 2468 CmdResp1Error:0 SDEnWideBus:0 -------SD_EnableWideBusOperation:0---------- -------SD_Init ok---------- -------SD_EraseTest....----------

查后,发现卡在等待传输结束的等待上。 SD_Error SD_WaitReadOperation(void)函数第一个等待就过不去。 前面读写已经没问题,唯一的区别就是这里使用了DMA。 这里的while(1),就是等待中断或者DMA标志。源码349行

__IO SD_Error TransferError = SD_OK;
__IO uint32_t TransferEnd = 0;//sdio中断中会赋值0x01;
__IO uint32_t DMAEndOfTransfer = 0;//DMA中断中会赋值0x01;
SD_CardInfo SDCardInfo;

网上百度,发现很多人说ST的DMA BUG,其中一个BUG是,在读写之前要发CMD16设置BLOCK大小,我们使用的库已经修改了这个BUG,源码1335行

  /*!< Set Block Size for Card */
  SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = (uint32_t) BlockSize;
  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);

还有就是中断处理函数SD_Error SD_ProcessIRQSrc(void),以前没有处理出错信息,现在已经处理了。 (从这里可以学一点,我们自己写的中断处理处理函数,最好也响应错误中断) 本处是DMA传输,DMA传输一般都要求字节对齐,否则会出错或者是死机。我们看下到底是死机了还是一直在等待

  1. 既然可能死机,我们就使用CMSIS DAP调试一下,发现死在中断入口了。

晶振未修改对 晶振未修改对 说明有一个中断源一直在进中断,或者是我们没有处理。 我们在DMA中断中增加了调试信息,但是却没有输出,很奇怪。 源码2065行

void SD_ProcessDMAIRQ(void)
{
  uart_printf("-2-");
  if(DMA2->LISR & SD_SDIO_DMA_FLAG_TCIF)
  {
    DMAEndOfTransfer = 0x01;
    DMA_ClearFlag(SD_SDIO_DMA_STREAM, SD_SDIO_DMA_FLAG_TCIF|SD_SDIO_DMA_FLAG_FEIF);
  }
}

搜索中断入口函数void SD_SDIO_DMA_IRQHANDLER(void); 发现,这个并没有在中断向量中定义,而是在mcu_sdio.h中用宏定义。 真正的中断句柄是DMA2_Stream3_IRQHandler,在移植的时候我们并没有处理,而且也不了解这样做要如何处理。 先改回DMA2_Stream3_IRQHandler试试。mcu_sdio.h第46行

#ifdef SD_SDIO_DMA_STREAM3
 #define SD_SDIO_DMA_STREAM            DMA2_Stream3
 #define SD_SDIO_DMA_CHANNEL           DMA_Channel_4
 #define SD_SDIO_DMA_FLAG_FEIF         DMA_FLAG_FEIF3
 #define SD_SDIO_DMA_FLAG_DMEIF        DMA_FLAG_DMEIF3
 #define SD_SDIO_DMA_FLAG_TEIF         DMA_FLAG_TEIF3
 #define SD_SDIO_DMA_FLAG_HTIF         DMA_FLAG_HTIF3
 #define SD_SDIO_DMA_FLAG_TCIF         DMA_FLAG_TCIF3
 #define SD_SDIO_DMA_IRQn              DMA2_Stream3_IRQn
 #define SD_SDIO_DMA_IRQHANDLER        DMA2_Stream3_IRQHandler
#elif defined SD_SDIO_DMA_STREAM6
  1. 测试通过。SDIO硬件测试完成。 SDIO测试通过 程序测试通过,那到底是不是真的测试成功了呢? 我们可以用winhex软件查看TF卡内容,开头的几个数据块,已经被我们改为0x00--00XFF顺序增加的数据了,说明操作是成功的。

总结

调试SD卡这一段写了很多,主要是让大家看看平时调试的方法,很多时候就是

  • 加调试信息,顺藤摸瓜。

遗留问题,SDIO驱动用了一个很大的BUF,这个要修改优化。 目前我们只是为了验证硬件,没有挂载文件系统,后续再加上。


end