SD卡在SPI模式下的初始化和详细的代码分析

Posted 2021-02-02

SD卡在spi下的初始化：
1、初始化与SD卡链接的硬件条件（mcu的spi配置， IO口配置）
2、上电延时（>74个CLK）
3、复位卡（CMD0），进入idle状态
4、发送CMD8，检查是否支持2.0协议（CMD8就是判断是否是支持2.0协议）

5、根据不同协议检查sd卡（命令包括：cmd55、cmd41、cmd58、cmd1等）
6、取消片选，多发8个CLK，结束初始化
详细描述：
上电后，包括热插入，卡进入 idle 状态。在该状态 SD 卡忽略所有总线操作直到接收到 ACMD41 命令。ACMD41 命令是一个特殊的同步命令，用来协商操作电压范围，并轮询所有的卡。除了操作电压信息，ACMD41 的响应还包括一个忙标志，表明卡还在 power-up 过程工作，还没有准备好识别操作，即告诉主机卡还没有就绪。主机等待(继续轮询)直到忙标志清除。单个卡的最大上电时间不能操作 1 秒。
上电后，主机开始时钟并在 CMD 线上发送初始化序列，初始化序列由连续的逻辑“1”组成。序列长度为最大 1 毫秒，74 个时钟或 supply-ramp-up 时间。额外的 10 个时钟(64 个时钟后卡已准备就绪)用来实现同步。每个总线控制器必须能执行 ACMD41 和 CMD1。CMD1 要求 MMC 卡发送操作条件。在任何情况下，ACMD41 或 CMD1 必须通过各自的 CMD 线分别发送给每个卡。

读操作步骤：
1、发送cmd17

2、接收sd卡发过来的响应r1
3、接收数据起始令牌0XFE
4、接收数据
5、接收2个字节的crc，如果不使用crc，这两个字节在读取后可以丢掉
6、进制片选之后，多发8个clk

写操作步骤：
1、发送cmd24
2、接收卡响应R1
3、发送写数据起始令牌0xFE
4、发送数据
5、发送2字节的伪crc；随便发什么，不起作用的crc，只是为了匹配数据格式
6、禁止片选之后，多发8个CLK

硬件连接：
SD_OUT-----SPI2_MISO PB14
SD_CLK------SPI2_CLK PB13
SD_DIN------SPI2_MOSI PB15
SD_CS--------随便

代码细节分析：
1、第一个就是spi选择的模式在SD里头应该怎么设置
首先我们来看下已经实现过的代码:
void SPI_SetSpeed(u8 SpeedSet)
{
SPI_InitTypeDef SPI_InitStructure;
if(SpeedSet==SPI_SPEED_HIGH)//高速
{
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_2;
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;

SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure);
/ SPI2 enable /
SPI_Cmd(SPI2, ENABLE);
}
else//低速
{
SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;
SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;
SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;
SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;
SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_256;
SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;
SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;

SPI_Init(SPI2, &SPI_InitStructure);
/* SPI2 enable */
SPI_Cmd(SPI2, ENABLE);  

}
}
接下来的问题是
SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_High;
SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_2Edge;
为什么是这个选项？
CPOL被置’1’，SCK引脚在空闲状态保持高电平
CPHA(时钟相位)位被置’1’，SCK时钟的第二个边沿，CPOL位为’1’时就是上升沿

SD 卡的Bus Timing如下：

看到时序图就比较直观的能看到CPOL和CPHA的取值。（具体怎么看可查看“详解spi中的极性CPOL和相位CPHA”）
2、SD卡发送命令的格式
/***

• Function Name : SD_SendCommand
• Description : 向SD卡发送一个命令
• Input : u8 cmd 命令
• u32 arg 命令参数
• u8 crc crc校验值
• Output : None

• Return : u8 r1 SD卡返回的响应
  **/
  u8 SD_SendCommand(u8 cmd, u32 arg,u8 crc)
  {
  unsigned char r1;
  unsigned int Retry = 0;

  SD_CS_DISABLE();
  SPI_ReadWriteByte(0xff);//提高兼容性，如果没有这里，有些SD卡可能不支持
  SD_CS_ENABLE();//片选端置低，选中SD卡

  / 发送命令序列 /
  SPI_ReadWriteByte(cmd | 0x40); //0100 0000
  SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 24));//参数[31..24]
  SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 16));//参数[23..16]
  SPI_ReadWriteByte((u8)(arg >> 8));//参数[15..8]
  SPI_ReadWriteByte((u8)arg); //参数[7..0]
  SPI_ReadWriteByte(crc);

  //等待响应，或超时退出
  while((r1 = SPI_ReadWriteByte(0xFF))==0xFF)
  {
  Retry++;
  if(Retry > 800)break; //根据实验测得，最好重试次数多点
  }
  //关闭片选
  SD_CS_DISABLE();
  //在总线上额外增加8个时钟，让SD卡完成剩下的工作
  SPI_ReadWriteByte(0xFF);

  //返回状态值
  return r1;
  }
  比如：SD_SendCommand(CMD0, 0,0x95); //发送CMD0，让SD卡进入IDLE状态
  问一：那CMD0是什么？
  答：头文件里有定义
  #define CMD0 0 //卡复位 (应答格式：R1)
  问二：为什么（cmd | 0x40）？
  答：因为SD卡的指令由6个字节组成，字节1的最高2位固定为 01，低6位为命令号（比如cmd16，为二进制10000即0x10，完整的CMD16，第一个字节为01010000，即0x10+0x40）
  
  问三：返回值为什么是0xFF（while((r1==SPI_ReadWriteByte(0xFF))==0xFF)）？
  首先我们得知道返回值得格式是什么？
  
  接下来就是为什么要发送0xFF？
  答：这不是一个指令，而是用于维持MOSI的电平，SPI_ReadWriteByte(0xFF)启动传输，这里其实就是发送8个时钟给从设备，而MOSI一直维持高电平，当然也可以维持低电平，写0x00也可以，不过通常做法就是维持高电平。

这里又出现新的问题，返回值和响应的区别是什么？答案见下面
回到问题三，为什么发送0xFF，同步收到的也是0xFF呢，这里网上有人说是因为，没有返回正确的值得时候，返回0xFF是报错的一种返回。这里不能准确判定，暂时这么理解。

讲完了怎么发命令下面我们看下，怎么去初始化sd卡
3、初始化SD卡
1）首先拉低cs pin
SD_CS_ENABLE();
2）
// 纯延时，等待SD卡上电完成
for(i=0;i<0xf00;i++);

//先产生至少74个脉冲，让SD卡自己初始化完成
for(i=0;i<10;i++)
{
SPI_ReadWriteByte(0xFF);//80clks
}
3）//-----------------SD卡复位到idle开始-----------------
//循环连续发送CMD0，直到SD卡返回0x01,进入IDLE状态
//超时则直接退出
retry = 0;
do
{
r1 = SD_SendCommand(CMD0, 0,0x95);//发送CMD0，让SD卡进入IDLE状态
retry++;
}while((r1 != 0x01) && (retry<200));
//跳出循环后，检查原因：初始化成功？or 重试超时？
if(retry==200) return 1; //超时返回1
注：这里我们得知道一些命令和校验码
CMD0 : 0x40,0x00,0x00,0x00,0x00,0x95
CMD8 : 0x48,0x00,0x00,0x01,0xaa,0x87
CMD55:0x77,0x00,0x00,0x00,0x00,0xff 其中：0x77=0x40+0x37
ACMD41：0x69,0x40,0x00,0x00,0x00,0xff
CMD58: 0x7a,0x00,0x00,0x00,0x00,0xff

4）获取卡片的SD版本信息
步骤1：如何获取？
r1 = SD_SendCommand_NoDeassert(CMD8, 0x1aa,0x87);
然后判断返回值
步骤2：如果卡片版本信息是v1.0版本的，即r1=0x05，则进行以下初始化
//设置卡类型为SDV1.0，如果后面检测到为MMC卡，再修改为MMC
SD_Type = SD_TYPE_V1;
//如果是V1.0卡，CMD8指令后没有后续数据
//片选置高，结束本次命令
SD_CS_DISABLE();
//多发8个CLK，让SD结束后续操作
SPI_ReadWriteByte(0xFF);

步骤3：//-----------------SD卡、MMC卡初始化开始-----------------
//发卡初始化指令CMD55+ACMD41
// 如果有应答，说明是SD卡，且初始化完成
// 没有回应，说明是MMC卡，额外进行相应初始化
do
{
//先发CMD55，应返回0x01；否则出错
r1 = SD_SendCommand(CMD55, 0, 0);
if(r1 != 0x01)
return r1;
//得到正确响应后，发ACMD41，应得到返回值0x00，否则重试400次
r1 = SD_SendCommand(ACMD41, 0, 0);
retry++;
}while((r1!=0x00) && (retry<400));
// 判断是超时还是得到正确回应
// 若有回应：是SD卡；没有回应：是MMC卡

CMD55指令是用来切换到试用ACMD指令的

步骤4：这里是初始化mmc，不是mmc卡就不用管该步骤
//----------MMC卡额外初始化操作开始------------
if(retry==400)
{
retry = 0;
//发送MMC卡初始化命令（没有测试）
do
{
r1 = SD_SendCommand(CMD1, 0, 0);
retry++;
}while((r1!=0x00)&& (retry<400));
if(retry==400)return 1; //MMC卡初始化超时
//写入卡类型
SD_Type = SD_TYPE_MMC;
}
//----------MMC卡额外初始化操作结束------------
//设置SPI为高速模式
SPI_SetSpeed(SPI_SPEED_HIGH);
SPI_ReadWriteByte(0xFF);

 //禁止CRC校验     
 r1 = SD_SendCommand(CMD59, 0, 0x95);
 if(r1 != 0x00)return r1;  //命令错误，返回r1         
 //设置Sector Size
 r1 = SD_SendCommand(CMD16, 512, 0x95);
 if(r1 != 0x00)return r1;//命令错误，返回r1         
 //-----------------SD卡、MMC卡初始化结束-----------------

步骤5： //下面是V2.0卡的初始化
//其中需要读取OCR数据，判断是SD2.0还是SD2.0HC卡
步骤1的 r1 = SD_SendCommand_NoDeassert(CMD8, 0x1aa,0x87);
如果得到的是0x01
else if(r1 == 0x01)
{
//V2.0的卡，CMD8命令后会传回4字节的数据，要跳过再结束本命令
buff[0] = SPI_ReadWriteByte(0xFF); //should be 0x00
buff[1] = SPI_ReadWriteByte(0xFF); //should be 0x00
buff[2] = SPI_ReadWriteByte(0xFF); //should be 0x01
buff[3] = SPI_ReadWriteByte(0xFF); //should be 0xAA
SD_CS_DISABLE();
SPI_ReadWriteByte(0xFF);//the next 8 clocks
//判断该卡是否支持2.7V-3.6V的电压范围
//if(buff[2]==0x01 && buff[3]==0xAA) //如不判断，让其支持的卡更多
// {
retry = 0;
//发卡初始化指令CMD55+ACMD41
do
{
r1 = SD_SendCommand(CMD55, 0, 0);
if(r1!=0x01)return r1;
r1 = SD_SendCommand(ACMD41, 0x40000000, 1);
if(retry>200)return r1; //超时则返回r1状态
}while(r1!=0);
//初始化指令发送完成，接下来获取OCR信息
//-----------鉴别SD2.0卡版本开始-----------
r1 = SD_SendCommand_NoDeassert(CMD58, 0, 0);
if(r1!=0x00)return r1; //如果命令没有返回正确应答，直接退出，返回应答
//读OCR指令发出后，紧接着是4字节的OCR信息
buff[0] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);
buff[1] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);
buff[2] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);
buff[3] = SPI_ReadWriteByte(0xFF);

   //OCR接收完成，片选置高
   SD_CS_DISABLE();
   SPI_ReadWriteByte(0xFF);

   //检查接收到的OCR中的bit30位（CCS），确定其为SD2.0还是SDHC
   //如果CCS=1：SDHC   CCS=0：SD2.0
   if(buff[0]&0x40)SD_Type = SD_TYPE_V2HC;    //检查CCS    
   else SD_Type = SD_TYPE_V2;       

//-----------鉴别SD2.0卡版本结束-----------
//设置SPI为高速模式
SPI_SetSpeed(1);
// }
}
首先我们得知道CMD8返回的值是个什么样的值

问题一：为什么发送CMD8，程序里只接收8个字节呢？难道只返回了8个字节（32位么）？
答：不是这样的，这里我们顺便也可以回答，上面的一个问题，就是说返回和响应到底是什么关系？其实返回就是响应中的一部分，因为返回就是响应的高8位的那几位。
这里我们看下R7


8+32+8=48
前面的8就是返回值，又是这张图

后面+8的就是CRC和最后一个1的意思
分析32位： //should be 0x00 0000 0000
//should be 0x00 0000 0000
//should be 0x01 0000 0001
//should be 0xAA 1010 1010
高位开始排： 0000 0000 0000 0000 0000 0001 1010 1010这样就对上了

问题2： r1 = SD_SendCommand_NoDeassert(CMD58, 0, 0);这条CMD58是保留命令，发这个58是什么意思呢？
其实cmd58是读取OCR的讯息 返回是R3格式
补充：cmd59 是设置crc校验的使能与关闭 返回的是R1格式
OCR是寄存器，还有那些寄存器？

问题3： if(buff[0]&0x40)SD_Type = SD_TYPE_V2HC; //检查CCS
else SD_Type = SD_TYPE_V2;
为什么要与上0x40呢？
答： buff[0]是8位，0x40是0100 0000 指向的就是OCR的第30位，就是CCS

到此初始化完毕！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！！