USB/GPIO/SDIO

Posted 2020-11-03 konglingbin

通用串行总线（英语：Universal Serial Bus，缩写：USB）是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范。
它只有4根线，两个电源(5V,地线)，两个数据线（D+，D－）。，故信号是串行传输的，即按照传输时钟脉冲的节奏一位一位的传输。usb接口也称为串行口。

usb接口的4根线一般是下面这样分配的，需要注意的是千万不要把正负极弄反了，否则会烧掉usb设备或者电脑的南桥芯片：黑线：gnd 红线：vcc 绿线：data+(DP) 白线：data-(DM)

一、接口结构图

下图就是接口图，分别是+5V（电源）、DATA+（传输数据端+ DP）、DATA-（传输数据端- DM)、和GND（地线）。

（DM,DP是用来传输数据的，VCC，GND充电。）

 

 

二、数据传输过程

注：后文中将USB设备均举例为U盘。

2.1 首先是主机识别U盘

先说说USB主机是怎么识别一个U盘的吧，当你把一个U盘插到电脑上的时候，电脑的USB接口上会发生一些变化。U盘会把DP(D-)拉高，使DP，DM保持一个J状态（即：DP为高DM为低），电脑主板的USB主机芯片检测到这个J状态（DP(D-)拉高），知道有设备连接上了（这里提到的主机和设备是指连接在USB线两端的USB接口芯片），电脑的驱动会对连接上的这个设备进行识别，我们把它叫做列举，这个过程是为了让电脑知道连接上的这个设备是什么东西（是U盘，还是USB鼠标，还是USB键盘，或是其他的什么）。

2.2 然后开始传输数据

然后再看USB数据是怎么在DM,DP上传输的，当主机检测到有设备连接上，驱动先会对这个设备作些必备的事情，识别他的速度（这个过程又有很多协议，要了解的仔细研究协议），然后就是复位等等。之后就开始在总线（DM,DP）上发送1ms间隔的SOF包（全速）或125us间隔的SOF包（高速）。

USB数据都是以包的形式发出的，包都有固定的格式，它以一个sync（synchronous 同步）开始，以一个eop（end of packet，包结束）结束，SOF 包也是一样的。 下面是包的结构图：

其中PID（packet  ID 包的ID）是说明这个包是什么包，即包的类型。

 

GPIO的英文全称General-Purpose Input /Output Ports,中文意思是通用I/O端口。

在嵌入式系统中，经常需要控制许多结构简单的外部设备或者电路，这些设备有的需要通过CPU控制，有的需要CPU提供输入信号。并且，许多设备或电路只要求有开/关两种状体就够了，比如LED的亮与灭。对这些设备的控制，使用传统的串口或者并口就显得比较复杂，所以，在嵌入式微处理器上通常提供了一种“通用可编程I/O端口”，也就是GPIO。

一个GPIO端口至少需要两个寄存器，一个做控制用的“通用IO端口控制寄存器”，还有一个是存放数据的“通用I/O端口数据寄存器”。数据寄存器的每一位是和GPIO的硬件引脚对应的，而数据的传递方向是通过控制寄存器设置的，通过控制寄存器可以设置每一位引脚的数据流向。

（GPIO相关的寄存器有，IOPIN、iosET、IOCLR、IODIR四个寄存器。)

 

SDIO接口是在SD内存卡接口的基础上发展起来的接口，SDIO接口兼容以前的SD内存卡，并且可以连接SDIO接口的设备。

SDIO1.0标准定义了两种类型的SDIO卡：

1.全速的SDIO卡，传输率可以超过100Mbps；

2.低速的SDIO卡，支援的时脉速率在0至400KHz之间。

      SDIO协议是由SD卡的协议演化升级而来的，很多地方保留了SD卡的读写协议，同时SDIO协议又在SD卡协议之上添加了CMD52和CMD53命令。由于这个，SDIO和SD卡规范间的一个重要区别是增加了低速标准，低速卡的目标应用是以最小的硬件开支来支持低速I/O能力。低速卡支持类似调制解调器,条形码扫描仪和GPS接收器等应用。高速卡支持网卡，电视卡以及组合卡等。组合卡指的是存储器+SDIO，对组合卡来操作需要全速和4BIT的传输模式，这是SDIO1.0标准规定的。

SDIO卡是在SD内存卡接口的基础上发展起来的接口，SDIO接口兼容以前的SD内存卡，并且可以连接SDIO接口的设备，目前根据SDIO协议的SPEC，SDIO接口支持的设备总类有蓝牙，网卡，电视卡等。

 

       SDIO协议是由SD卡的协议演化升级而来的，很多地方保留了SD卡的读写协议，同时SDIO协议又在SD卡协议之上添加了CMD52和CMD53命令。由于这个，SDIO和SD卡规范间的一个重要区别是增加了低速标准，低速卡的目标应用是以最小的硬件开始来支持低速I/O能力。低速卡支持类似调制解调器,条形码扫描仪和GPS接收器等应用。高速卡支持网卡，电视卡还有“组合”卡等，组合卡指的是存储器+SDIO。

       SDIO和SD卡的SPEC间的又一个重要区别是增加了低速标准。SDIO卡只需要SPI和1位SD传输模式。低速卡的目标应用是以最小的硬件开支来支持低速I/O能力，低速卡支持类似MODEM，条形扫描仪和GPS接收器等应用。对组合卡来说，全速和4BIT操作对卡内存储器和SDIO部分都是强制要求的。

       在非组合卡的SDIO设备里，其最高速度要只有达到25M，而组合卡的最高速度同SD卡的最高速度一样，要高于25M。

SDIO总线

       SDIO总线和USB总线类似，SDIO总线也有两端，其中一端是主机（HOST）端，另一端是设备端（DEVICE），采用HOST- DEVICE这样的设计是为了简化DEVICE的设计，所有的通信都是由HOST端发出命令开始的。在DEVICE端只要能解溪HOST的命令，就可以同HOST进行通信了。

       SDIO的HOST可以连接多个DEVICE，如下图所示:

       这个是同SD的总线一样的,其中有如下的几种信号

1.       CLK信号:HOST给DEVICE的时钟信号.

2.       CMD信号：双向的信号，用于传送命令和反应。

3.       DAT0-DAT3 信号:四条用于传送的数据线。

4.       VDD信号:电源信号。

5.       VSS1，VSS2:电源地信号。

在SDIO总线定义中,DAT1信号线复用为中断线。在SDIO的1BIT模式下DAT0用来传输数据，DAT1用作中断线。在SDIO的4BIT模式下DAT0-DAT3用来传输数据，其中DAT1复用作中断线。

SDIO命令：

       SDIO总线上都是HOST端发起请求，然后DEVICE端回应请求。其中请求和回应中会数据信息。

1.       Command:用于开始传输的命令，是由HOST端发往DEVICE端的。其中命令是通过CMD信号线传送的。

2.       Response:回应是DEVICE返回的HOST的命令，作为Command的回应。也是通过

CMD线传送的。

3.       Data:数据是双向的传送的。可以设置为1线模式，也可以设置为4线模式。数据是通过DAT0-DAT3信号线传输的。

　　SDIO的每次操作都是由HOST在CMD线上发起一个CMD，对于有的CMD，DEVICE需要返回Response，有的则不需要。

       对于读命令，首先HOST会向DEVICE发送命令，紧接着DEVICE会返回一个握手信号，此时，当HOST收到回应的握手信号后，会将数据放在4位的数据线上，在传送数据的同时会跟随着CRC校验码。当整个读传送完毕后，HOST会再次发送一个命令，通知DEVICE操作完毕，DEVICE同时会返回一个响应。

       对于写命令，首先HOST会向DEVICE发送命令，紧接着DEVICE会返回一个握手信号，此时，当HOST收到回应的握手信号后，会将数据放在4位的数据线上，在传送数据的同时会跟随着CRC校验码。当整个写传送完毕后，HOST会再次发送一个命令，通知DEVICE操作完毕，DEVICE同时会返回一个响应。

SDIO的寄存器：

      SDIO卡的设备驱动80%的任务就是操作SDIO卡上的有关寄存器。SDIO卡最多允许有7个功能（function）,这个同其功能号是对应的（0～7）,每个功能都对应一个128K字节大小的寄存器，这个见下面的图。功能号之所以取值范围是1~7，而没有包含0，是因为功能0并不代表真正的功能，而代表CIA寄存器，即Common I/O Area，这个纪录着SDIO卡的一些基本信息和特性，并且可以改写这些寄存器。其中地址0x1000~0x17fff是SDIO卡的CIS区域，就是基本信息区域，Common Information Structure。初始化的时候读取并配对SDIO设备。

       这些寄存器的详细分区已经其对应的功能，在开发过程中都是需要仔细研读的，这些都在协议的SPEC中都有详细说明，这里就不在罗索了。

基于ARM含SD控制器的SD卡的SDIO模式驱动解析

SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。

SD卡的结构能保证数字文件传送的安全性，也很容易重新格式化，因此越来越多的被应用的嵌入式系统中。SD卡的使用非常方便，常见的有两种工作模式：SPI和SDIO。SPI是串行的工作模式，速度相对较低，但是使用方便，只要MCU含有SPI接口均可使用。SDIO模式，可以最多4线传输，因此速度比较快，由于SD卡的普及，越来越多的MCU内部集成了SDIO控制器，简化了我们的工作。本文以三星s3c2410为例介绍。

2.    SD卡的协议

SD卡的控制指令非常强大，支持SPI,SDIO模式，兼容MMC等。而且不同的

指令有不同的响应（3种），这在我们使用指令是要注意的。