【GD32】从零开始学GD32单片机高级篇——SDIO外设详解（GD32F470ZGT6）

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简介

SDIO（Secure Digital Input and Output）全称安全的数字输入输出接口；是从SD内存卡接口的基础上演化出来的一种外设接口。SDIO接口兼容以前的SD内存卡，并且可以连接支持SDIO接口的设备。它可以连接SD 卡、SD I/O卡、多媒体卡（MMC）和 CE-ATA卡主机接口；除了连接常见的存储介质外，它还可以用于连接WiFi、GPS、摄像头等设备。

本文基于GD32F470ZGT6芯片，其SDIO外设对存储卡的兼容性如下：

  1. MMC：与多媒体卡系统规格书 V4.2 及之前的版本全兼容。有三种不同的数据总线模式：
    1 位(默认)、4 位和 8 位；
  2. SD 卡：与 SD 存储卡规格版本 2.0 全兼容；
  3. SD I/O：与 SD I/O 卡规格版本 2.0 全兼容，有两种不同的数据总线模式：1 位(默认)和 4
    位；
  4. CE-ATA：与 CE-ATA 数字协议版本 1.1 全兼容；

总线拓扑

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SDIO外设通过时钟线（CLK）、命令线（CMD）和数据线（DATA）进行通讯；其中，根据SDIO模式的不同数据线的数量也会有不同，分别有1bit模式、4bit模式和8bit模式。

在SDIO总线上的每一个消息都是由以下3个部分组成的：

  1. 命令：命令是启动一个操作的令牌，从主机发送到卡；由CMD线进行传输。
  2. 响应：响应是从卡发送到主机，作为命令的回应；由CMD线进行传输。
  3. 数据：数据可以从卡传输到主机或者从主机传输到卡；通过DATA线传送。

其中SDIO的命令也分为2种——流命令和面向块的命令。

  1. 流命令：这些命令发起连续的数据流，只有当 CMD 信号线上出现停止命令时，数据传输
    终止。该模式将命令的开销减少到最低（仅支持 MMC）。
  2. 面向块的命令：这些命令成功发送一个数据块后紧跟一个 CRC 校验。读和写操作允许单
    个或多个块传输。与连续读相同，当 CMD 信号线上出现停止命令时，多块传输终止。

总线操作

“无响应” 和 “无数据” 操作

总线上的基本操作是命令/响应操作，如下图；有“无响应”操作和“无数据”操作两种。
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无响应操作即主机只发送命令，但设备不响应；无数据操作即主机发送命令，设备响应，但设备和主机都不发送数据。

多块读写操作

多块读操作即主机发送命令，设备响应后，数据会在DAT线上以块的形式，一块块发送到主机，每个块的后面都紧跟CRC的校检；需要停止读数据时，主机发送停止命令，设备响应后即可停止。
SD存储卡、SD I/O卡（包括仅IO卡和组合卡）和CE-ATA设备直接的数据传输是以数据块
的方式完成的。
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数据流读写操作

MMC卡以数据块或数据流方式进行数据传输。数据流读操作也是主机发送命令，设备响应后，设备通过DAT线发送数据，在该模式下数据是连续不断的，只到主机发送停止命令，设备响应后停止。
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总线协议

命令

SDIO有4种控制卡的命令：

  1. 广播命令（bc），发送到所有卡，没有响应；
  2. 带响应的广播命令（bcr），发送到所有卡，同时从所有卡收到响应；
  3. 寻址（点对点）命令（ac），发送到寻址的卡上，DAT 信号线没有数据传输；
  4. 寻址（点对点）的数据传输的命令（adtc），发送到寻址的卡上，DAT 信号线进行数据传输。

所有命令都是48位的固定码长，定义如下图所示。
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一个命令总是从一个起始位（始终为0）开始，随后的位表示传输的方向（主机=1）。接下来的6位表示命令的索引，该值被解释为一个二进制编码的数字（0到63之间）。一些命令需要一
个参数（例如，一个地址），由32位编码。上表中的表示为“x”的值表示这个变量依赖于该命
令。所有的命令有一个CRC 7位校验，由结束位（总是 1）终止。

响应

响应的类型有7种：

  1. R1/R1b: 普通命令响应
  2. R2: CID, CSD 寄存器
  3. R3: OCR 寄存器
  4. R4: Fast I/O
  5. R5: 中断请求
  6. R6: 发布的 RCA 响应
  7. R7: 卡接口条件

除了R2的响应长度是136位，其他响应长度均为48位。

R1/R1b (普通命令响应)

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长度为48位，位[45:40]指示要响应的命令索引。

R2 (CID, CSD 寄存器)

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长度为136位，CID寄存器的内容作为对命令CMD2和CMD10的响应被发送，CSD寄
存器的内容将作为以CMD9响应被发送。

R3 (OCR 寄存器)

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长度为48位，OCR寄存器的内容作为SD存储卡或MMC的响应被发送。

R4 (Fast IO)

R4响应仅适用于MMC。长度为48位。参数域包括选定卡的RCA，被读取或写入寄存器的地址及其内容。
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R4b（Fast IO）

R4b响应仅适用于SD I/O卡。长度为48位。SD I/O卡接收到CMD5命令后会返回一个唯一的 SD I/O卡响应R4。
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R5 (中断请求)

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R5响应仅适用于MMC。长度为48位。若这个响应由主机产生，参数中RCA域为0x0。

R5b（中断请求）

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R5b响应仅适用于SD I/O卡。SD I/O卡对于CMD52和CMD53命令的响应是R5。

R6 (发布的RCA响应)

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代码长度为48位。位[45:40]表示对CMD3响应的命令索引。参数字段的16个最高位比特用于已发布的RCA号。

R7 (卡接口条件)

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仅适用于SD存储卡。代码长度为48位。位[19:16]表明该卡支持的电压范围。

SD卡操作模式

卡识别

卡识别过程如下：
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上电后，主机进入卡识别模式，寻找总线上的新卡；而卡则处于空闲状态。在与卡进行通信前主机必须先知道卡的电压范围，对于SD卡，需调用ACMD41命令；对于MMC卡需调用CMD1命令；对于SD I/O卡，需调用CMD5命令。另外，对于支持SDIO V2.0的SD卡，在调用ACMD41命令前还需调用CMD8命令，让卡知道主机支持物理层2.00协议及高版本功能。
接着卡会进入准备状态，然后发送CMD2命令使卡进入识别状态；最后再发送CMD3，使卡进入待机状态。

数据操作模式

数据操作模式过程如下：
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数据操作模式比较复杂，这里只介绍SD卡的流程。
对于写操作，主机先发CMD7，选中对应的卡，使其进入传输状态。接着发送CMD23（单块写命令）或CMD24（多块写命令）使卡进入数据接收状态，然后主机就可以开始传输数据。主机传输完指定的数据后必须发送CMD12命令终止数据传输，此时卡会进入编程状态。当卡完成数据的存储后，会自动返回传输状态。上面的过程中我们可以通过CMD13命令轮询检查卡的状态，判断编程状态是否已退出。
对于读操作，同样，主机先发CMD7命令，选中对应的卡，卡进入传输状态。接着发送CMD17（单块读操作）或CMD18（多块读操作）使卡进入数据发送状态，然后主机开始接收数据，数据传输完成卡会自动返回传输状态。

例程

例程中实现了SD卡的初始化、信息读取、单块读写操作、锁卡操作和多块读写操作。

int main(void)
{
	nvic_priority_group_set(NVIC_PRIGROUP_PRE1_SUB3);
	nvic_irq_enable(SDIO_IRQn, 0, 0);

	debug_init();
	
	printf("sdcard demo\r\n");
	
	// 初始化SD卡
	int i = 5;
	while ((SD_OK != sdcard_init()) && (i--));
	if (i == 0)
	{
		printf("sdcard init failed\r\n");
		while (1);
	}

	// 打印卡信息
	sdcard_info_print();
	
	// 测试
	sdcard_read_write_test();
	sdcard_lock_test();
	sdcard_multi_read_write_test();

    while(1)
	{
    }
}

兆易创新官方固件库很贴心地自带一个SDIO外设的驱动库，在sdio的例程里面；SD卡初始化的代码如下。

static sd_error_enum sdcard_init(void)
{
    sd_error_enum status = SD_OK;
    uint32_t cardstate = 0;
	
	// 初始化SD卡
    if ((status = sd_init()) != SD_OK)
	{
		printf("sdcard init failed\r\n");
		return status;
	}
	
	// 获取SD卡信息
    if(SD_OK != (status = sd_card_information_get(&sd_cardinfo)))
	{
        printf("get sdcard info failed\r\n");
		return status;
    }
	
	// 片选SD卡
    if(SD_OK != (status = sd_card_select_deselect(sd_cardinfo.card_rca)))
	{
        printf("select card failed\r\n");
		return status;
    }
	
	// 获取SD卡状态
    if (SD_OK != (status = sd_cardstatus_get(&cardstate)))
	{
		printf("get card status failed\r\n");
		return status;
	}
	else if(cardstate & 0x02000000)
	{
		printf("the card is locked!\r\n");
		while(1);
	}

	// 设置4bit总线模式
    if(SD_OK != (status = sd_bus_mode_config(SDIO_BUSMODE_4BIT)))
	{
		printf("set bus mode failed\r\n");
		return status;
    }

	// 设置DMA传输模式
    if(SD_OK != (status = sd_transfer_mode_config(SD_DMA_MODE)))
	{
		printf("set dma mode failed\r\n");
		return status;
    }
	
	return status;
}

先调用sd_init函数初始化SDIO外设，驱动库内的代码如下。

sd_error_enum sd_init(void)
{
    sd_error_enum status = SD_OK;
    /* configure the RCU and GPIO, deinitialize the SDIO */
    rcu_config();
    gpio_config();
    sdio_deinit();

    /* configure the clock and work voltage */
    status = sd_power_on();
    if(SD_OK != status) {
        return status;
    }

    /* initialize the card and get CID and CSD of the card */
    status = sd_card_init();
    if(SD_OK != status) {
        return status;
    }

    /* configure the SDIO peripheral */
    sdio_clock_config(SDIO_SDIOCLKEDGE_RISING, SDIO_CLOCKBYPASS_DISABLE, SDIO_CLOCKPWRSAVE_DISABLE, SD_CLK_DIV_TRANS);
    sdio_bus_mode_set(SDIO_BUSMODE_1BIT);
    sdio_hardware_clock_disable();

    return status;
}

先使能外设时钟并配置管脚，所有使用到的管脚配置成复用推挽模式即可。
接着调用sd_power_on函数进行SD卡的配置；函数内部主要是先发送CMD0命令复位卡，然后发送CMD8命令判断卡版本，最后发送ACMD41命令获取卡电压值和容量支持信息。
然后调用sd_card_init函数初始化SD卡；函数内部主要是先发送CMD2获取卡的CID值，接着发送CMD3命令使卡发布新的RCA地址，最后发送CMD9命令获取卡的CSD值。

卡初始化完后，调用sd_card_select_deselect函数，传入卡的RCA地址来选中卡；因为卡在复位后默认是工作在1bit模式下，因此根据需要调用sd_bus_mode_config函数使卡工作在4bit模式；最后根据需要调用sd_transfer_mode_config函数，使用DMA传输卡数据。

例程第一项测试单块数据的读写，代码如下。

static void sdcard_read_write_test(void)
{
	sd_error_enum sd_error;
	
	for (uint32_t i = 0; i < 512; i++)
		buf_write[i] = i;
	memset(buf_read, 0, sizeof(buf_read));
	
    /* single block operation test */
    sd_error = sd_block_write(buf_write, 100 * 512, 512);
    if(SD_OK != sd_error)
	{
        printf("\r\n Block write fail!");
		return;
    }
	else
	{
        printf("\r\n Block write success!");
    }
	
    sd_error = sd_block_read(buf_read, 100 * 512, 512);
    if(SD_OK != sd_error)
	{
        printf("\r\n Block read fail!");
		return;
    }
	else
	{
        printf("\r\n Block read success!");
	}
}

单块写调用sd_block_write函数；函数内部先发送CMD16设置块大小，然后发送CMD24命令写入一个块的数据。
单块读调用sd_block_read函数；函数内部操作与单块写同理，唯一的不同是最后发送CMD17命令读取一个块的数据。

例程第二项测试卡的上锁和解锁，代码如下。

static void sdcard_lock_test(void)
{
	sd_error_enum sd_error;
	
    if(SD_CCC_LOCK_CARD & sd_cardinfo.card_csd.ccc)
	{
        /* lock the card */
        sd_error = sd_lock_unlock(SD_LOCK);
        if(SD_OK != sd_error)
		{
            printf("\r\n Lock failed!");
			return;
        }
		else
		{
            printf("\r\n The card is locked!");
        }
		
        sd_error = sd_erase(100 * 512, 101 * 512);
        if(SD_OK != sd_error)
            printf("\r\n Erase failed!");
        else
            printf("\r\n Erase success!");

        /* unlock the card */
        sd_error = sd_lock_unlock(SD_UNLOCK);
        if(SD_OK != sd_error)
		{
            printf("\r\n Unlock failed!");
			return;
        }
		else
		{
            printf("\r\n The card is unlocked!");
        }
		
        sd_error = sd_erase(100 * 512, 101 * 512);
        if(SD_OK != sd_error)
            printf("\r\n Erase failed!");
        else
            printf("\r\n Erase success!");
    }
}

使用sd_lock_unlock函数可实现上锁和解锁；上锁和解锁都是通过发送CMD41命令实现，若我们想知道卡是否上锁可以随时发送CMD13命令来判断。
例程中在上锁和解锁后都调用了sd_erase函数擦除指定块，验证是否上锁或解锁成功，函数内部先发送CMD32和CMD33命令分别设置擦除的块起始地址和结束地址，最后发送CMD38命令执行擦除。

例程最后一项测试多块读写，代码如下。

static void sdcard_multi_read_write_test(void)
{
	sd_error_enum sd_error;
	
	for (uint32_t i = 0; i < 512; i++)
		buf_write[i] = i;
	memset(buf_read, 0, sizeof(buf_read));

    sd_error = sd_multiblocks_write(buf_write, 200 * 512, 512, 3);
    if(SD_OK != sd_error)
	{
        printf("\r\n Multiple block write fail!");
		return;
    }
	else
	{
        printf("\r\n Multiple block write success!");
    }
	
    sd_error = sd_multiblocks_read(buf_read, 200 * 512, 512, 3);
    if(SD_OK != sd_error)
	{
        printf("\r\n Multiple block read fail!");
		return;
    }
	else
	{
        printf("\r\n Multiple block read success!");
	}
}

多块写操作调用sd_multiblocks_write函数，内部主要是先发送CMD16命令设置块大小，然后发送ACMD23命令预擦除要写入的区域，最后发送CMD25命令写入所有的数据。
多块读操作调用sd_multiblocks_read函数，流程和多块写类似，也是先发送CMD16命令设置块大小，然后发送CMD18命令读取指定数量的块数据。

例程的完整打印如下。

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