【经验】解析中科芯CKS32F4xx系列MCU的SDIO控制器

很多单片机系统都需要大容量存储设备，以存储数据。目前常用的有U盘，FLASH芯片，SD卡等。他们各有优点，综合比较，最适合单片机系统的莫过于SD卡了，它不仅容量可以做到很大（32GB以上），支持SPI/SDIO驱动，而且有多种体积的尺寸可供选择（标准的SD卡尺寸，以及TF卡尺寸等），能满足不同应用的要求。

中科芯CKS32F4xx系列MCU的SDIO控制器支持多媒体卡（MMC卡）、SD存储卡、SD I/O卡和CE-ATA设备等。SDIO的主要功能如下：

1.与多媒体卡系统规格书版本4.2全兼容。支持三种不同的数据总线模式：1位（默认）、4位和8位。

2.与较早的多媒体卡系统规格版本全兼容（向前兼容）。

3. 与SD存储卡规格版本2.0全兼容。

4. 与SD I/O卡规格版本2.0全兼容：支持良种不同的数据总线模式：1位（默认）和4位。

5. 完全支持CE-ATA功能（与CE-ATA数字协议版本1.1全兼容）。8位总线模式下数据传输速率可达48MHz（分频器旁路时）。

数据和命令输出使能信号，用于控制外部双向驱动器。

SDIO主要功能及框图

CKS32F4xx系列的SDIO控制器包含2个部分：SDIO适配器模块和APB2总线接口，其功能框图如下：

图1 CKS32F4xx系列SDIO控制器功能框图

复位后默认情况下SDIO_D0用于数据传输。初始化后主机可以改变数据总线的宽度（通过ACMD6命令设置）。

如果一个多媒体卡接到了总线上，则SDIO_D0、SDIO_D[3:0]或SDIO_D[7:0]可以用于数据传输。MMC版本V3.31和之前版本的协议只支持1位数据线，所以只能用SDIO_D0（为了通用性考虑，在程序里面我们只要检测到是MMC卡就设置为1位总线数据）。

如果一个SD或SD I/O卡接到了总线上，可以通过主机配置数据传输使用SDIO_D0或SDIO_D[3:0]。所有的数据线都工作在推挽模式。

SDIO_CMD有两种操作模式：

①用于初始化时的开路模式（仅用于MMC版本V3.31或之前版本）

②用于命令传输的推挽模式（SD/SD I/O卡和MMC V4.2在初始化时也使用推挽驱动）

SDIO时钟

SDIO总共有3个时钟：

1. 卡时钟（SDIO_CK）：每个时钟周期在命令和数据线上传输1位命令或数据。对于多媒体卡V3.31协议，时钟频率可以在0MHz至20MHz间变化；对于多媒体卡V4.0/4.2协议，时钟频率可以在0MHz至48MHz间变化；对于SD或SD I/O卡，时钟频率可以在0MHz至25MHz间变化。

2. SDIO适配器时钟（SDIOCLK）：该时钟用于驱动SDIO适配器，来自PLL48CK，一般为48Mhz，并用于产生SDIO_CK时钟。

3. APB2总线接口时钟（PCLK2）：该时钟用于驱动SDIO的APB2总线接口，其频率为HCLK/2，一般为84MHz。

我们的SD卡时钟（SDIO_CK），根据卡的不同，可能有好几个区间，这就涉及到时钟频率的设置，SDIO_CK与SDIOCLK的关系（时钟分频器不旁路时）为：

SDIO_CK=SDIOCLK/(2+CLKDIV)

其中，SDIOCLK为PLL48CK，一般是48Mhz，而CLKDIV则是分配系数，可以通过SDIO的SDIO_CLKCR寄存器进行设置（确保SDIO_CK不超过卡的最大操作频率）。注意，以上公式，是时钟分频器不旁路时的计算公式，当时钟分频器旁路时，SDIO_CK直接等于 SDIOCLK。

这里要提醒大家，在SD卡刚刚初始化的时候，其时钟频率（SDIO_CK）是不能超过400Khz的，否则可能无法完成初始化。在初始化以后，就可以设置时钟频率到最大了（但不可超过SD卡的最大操作时钟频率）。

SDIO命令与响应

SDIO的命令分为应用相关命令（ACMD）和通用命令（CMD）两部分，应用相关命令（ACMD）的发送，必须先发送通用命令（CMD55），然后才能发送应用相关命令（ACMD）。SDIO的所有命令和响应都是通过SDIO_CMD引脚传输的，任何命令的长度都是固定为48位，SDIO的命令格式如表1所示：

表1 SDIO命令格式

所有的命令都是由MCU发出，其中开始位、传输位、CRC7和结束位由SDIO硬件控制，我们需要设置的就只有命令索引和参数部分。其中命令索引（如CMD0，CMD1）在SDIO_CMD寄存器里面设置，命令参数则由寄存器SDIO_ARG设置。

一般情况下，选中的SD卡在接收到命令之后，都会回复一个应答（CMD0是无应答），这个应答我们称之为响应，响应也是在CMD线上串行传输的。CKS32F4xx系列的SDIO控制器支持2种响应类型，即：短响应（48位）和长响应（136位），这两种响应类型都带CRC错误检测（不带CRC的响应应忽略CRC错误标志，如CMD1响应）。

表2 短响应格式

表3 长响应的格式

同样，硬件为我们滤除了开始位、传输位、CRC7以及结束位等信息，对于短响应，命令索引存放在SDIO_RESPCMD寄存器，参数则存放在SDIO_RESP1寄存器里面。对于长响应，则仅留CID/CSD位域，存放在SDIO_RESP1~SDIO_RESP4等4个寄存器。SD存储卡总共有5类响应（R1、R2、R3、R6、R7），我们这里以R1为例简单介绍一下。R1（普通响应命令）响应输入短响应，其长度为48位，R1响应的格式如表4所示：

表4 R1响应格式

在收到R1响应后，我们可以从SDIO_RESPCMD寄存器和SDIO_RESP1寄存器分别读出命令索引和卡状态信息。关于其他响应的介绍，请大家参考SD卡2.0协议。最后，我们看看数据在SDIO控制器与SD卡之间的传输。对于SDI/SDIO存储器，数据是以数据块的形式传输的，而对于MMC卡，数据是以数据块或者数据流的形式传输。本节我们只考虑数据块形式的数据传输。

图2 SDIO（多个）块读取操作

从上图，我们可以看出，从机在收到主机相关命令后，开始发送数据块给主机，所有数据块都带有CRC校验值（CRC由SDIO硬件自动处理），单个数据块读的时候，在收到1个数据块以后即可以停止了，不需要发送停止命令（CMD12）。但是多块数据读的时候，SD卡将一直发送数据给主机，直到接到主机发送的STOP命令（CMD12）。

图3 SDIO（多个）块写入操作

数据块写操作同数据块读操作基本类似，只是数据块写的时候，多了一个繁忙判断，新的数据块必须在SD卡非繁忙的时候发送。这里的繁忙信号由SD卡拉低SDIO_D0，以表示繁忙，SDIO硬件自动控制，不需要我们软件处理。

SD卡初始化流程

要实现SDIO驱动SD卡，最重要的步骤就是SD卡的初始化，只要SD卡初始化完成，那么剩下的读写操作就简单了，所以我们这里重点介绍SD卡的初始化。从SD卡2.0协议中，我们得到SD卡初始化流程图如图4所示：

图4 SD卡初始化流程

从图中，我们看到，不管什么卡（这里我们将卡分为4类：SD2.0高容量卡（SDHC，最大32G），SD2.0标准容量卡（SDSC，最大2G），SD1.x卡和MMC卡），首先我们要执行的是卡上电（需要设置SDIO_POWER[1:0]=11），上电后发送CMD0，对卡进行软复位，之后发送CMD8命令，用于区分SD卡2.0，只有2.0及以后的卡才支持CMD8命令，MMC卡和V1.x的卡，是不支持该命令的。

在发送CMD8后，发送ACMD41（注意发送ACMD41之前要先发送CMD55），来进一步确认卡的操作电压范围，并通过HCS位来告诉SD卡，主机是不是支持高容量卡（SDHC）。

对于支持CMD8指令的卡，主机通过ACMD41的参数设置HCS位为1，来告诉SD卡主机支SDHC卡，如果设置为0，则表示主机不支持SDHC卡，SDHC卡如果接收到HCS为0，则永远不会反回卡就绪状态。对于不支持CMD8的卡，HCS位设置为0即可。

SD卡在接收到ACMD41后，返回OCR寄存器内容，如果是2.0的卡，主机可以通过判断OCR的CCS位来判断是SDHC还是SDSC；如果是1.x的卡，则忽略该位。OCR寄存器的最后一个位用于告诉主机SD卡是否上电完成，如果上电完成，该位将会被置 1。

对于MMC卡，则不支持ACMD41，不响应CMD55，对MMC卡，我们只需要在发送CMD0后，再发送CMD1（作用同ACMD41），检查MMC卡的OCR寄存器，实现MMC卡的初始化。至此，我们便实现了对SD卡的类型区分,最后发送CMD2和CMD3命令，用于获得卡CID寄存器数据和卡相对地址（RCA）。

SD卡在收到CMD2后，将返回R2长响应（136位），其中包含128位有效数据（CID寄存器内容），存放在SDIO_RESP1~4等4个寄存器里面。通过读取这四个寄存器，就可以获得SD卡的CID信息。

CMD3用于设置卡相对地址（RCA，必须为非0），对于SD卡（非MMC卡），在收到CMD3后，将返回一个新的RCA给主机，方便主机寻址。RCA的存在允许一个SDIO接口挂多个SD卡，通过RCA来区分主机要操作的是哪个卡。而对于MMC卡，则不是由SD卡自动返回RCA，而是主机主动设置MMC卡的RCA，即通过CMD3带参数（高16位用于RCA设置），实现RCA设置。同样MMC卡也支持一个SDIO接口挂多个MMC卡，不同于SD卡的是所有的RCA都是由主机主动设置的，而SD卡的RCA则是SD卡发给主机的。

在获得卡RCA之后，我们便可以发送CMD9（带RCA参数），获得SD卡的CSD寄存器内容，从CSD寄存器，我们可以得到SD卡的容量和扇区大小等十分重要的信息。CSD寄存器我们在这里就不详细介绍了，关于CSD寄存器的详细介绍，请大家参考SD卡2.0协议。

至此，我们的SD卡初始化基本就结束了，最后通过CMD7命令，选中我们要操作的SD卡，即可开始对SD卡的读写操作了。