Михаил Русских

Приводится краткая информация о SD-картах, даются основы принципа работы шины SD, поясняется порядок использования драйвера stm324xg_eval_sdio_sd, предназначенного для упрощения связи микроконтроллеров семейства STM32 с SD-картами

Некоторые встраиваемые системы должны иметь возможность хранения больших объемов информации. Например, регистраторы различных физических величин и параметров (ток, напряжение, температура, географические координаты) должны сохранять полученные с датчиков показания на определенном носителе, который впоследствии можно было бы извлечь из устройства и подключить к компьютеру для просмотра данных в удобном для пользователя виде. Для решения такой задачи наиболее очевидным кажется использование USB флеш-накопителей. Они широко распространены на рынке и позволяют хранить большие объемы информации. Но для некоторых малых встраиваемых систем первостепенным фактором является компактность, и габариты этих накопителей могут оказаться чрезмерными. Кроме того, не все микроконтроллеры оснащены модулем USB, и разработчик системы может довольно долго разбираться с USB-стеком, что может увеличить время работы над проектом. В связи с этим хорошей альтернативой USB является использование SD-карт, которые очень компактны и позволяют обмениваться данными с помощью распространенного интерфейса SPI или специального интерфейса для SD-карт.

Карты памяти SD (Secure Digital) разработаны, в основном, для применения в портативных устройствах. Сегодня на рынке существует большое количество моделей, предоставляемых такими компаниями как SanDisc, и способных записывать с зависящей от класса скоростью данные объемом от 8 МБ до 2 ТБ. SD-карты, в отличие от MMC-карт, помимо обычной области хранения данных имеют специальную защищенную область, которая недоступна обычному пользователю. Для того чтобы устройство смогло прочитать записанную на SD-карту информацию в виде файлов, эта карта должна иметь определенную файловую систему. Наиболее предпочтительной в данном случае является система FAT, поскольку количество циклов записи/чтения для SD-карт ограничено, а системы вроде NTFS и ext являются журналируемыми, то есть предполагающими частые опросы.

Передача и прием данных осуществляется по интерфейсу SPI или по шине SD. На Рисунке 1 показано расположение выводов SD-карт различных типов, а в Таблице 1 представлено функциональное назначение этих выводов.

Хотя с помощью SPI организация связи хост-контроллера с картой не вызывает затруднений, все же шина SD предоставляет больше возможностей и позволяет пересылать информацию с большей скоростью за счет наличия четырех линий передачи данных. Поэтому ниже более подробно рассмотрим именно этот способ работы с SD-картой.

Передача данных по шине SD

Связь с SD-картой осуществляется по 6 информационным линиям: 4 линиям данных (DAT0, DAT1, DAT2, DAT3), линии синхронизации (CLK), линии передачи команд (CMD). При подключении к контроллеру линии данных и линия передачи команд должны быть подтянуты к питанию, как показано на Рисунке 2.

Запись и чтение данных выполняются поблочно. Обычно блок состоит из 512 байтов. Передача данных и служебной информации основана на модели взаимодействия «команда-ответ». Перед передачей или приемом данных хост-контроллер должен отправить соответствующую команду по линии CMD. По этой же линии от SD-карты должен прийти ответ, после которого может быть осуществлено требуемое действие. Стандарт SD поддерживает присутствие нескольких ведомых на шине, в таком случае хост-контроллер может посылать команды широковещательно. Команда имеет четкую структуру, состоящую из 48 бит: 1 стартовый бит, 1 бит передачи (установлен в 1), 6 бит для индекса команды, 32 бита для аргумента, 7 бит для контрольной суммы и 1 стоповый бит. Ответ может иметь такую же 48-битную структуру (в этом случае бит передачи установлен в 0) или состоять из 136 битов (т. н. формат длинного ответа): 1 стартовый бит, 1 бит передачи (установлен в 0), 6 зарезервированных битов, 127 битов содержимого регистров CID (Card Identifiction Register) или CSD (Card Specific Data Register) и контрольной суммы, 1 стоповый бит.

В начале работы с картой хост-контроллер перезагружает карту с помощью команд GO_IDLE_STATE (CMD0) и IO_RW_DIRECT (CMD52) . Полный список команд с описанием можно найти в (приложение A). После перезагрузки карта восстановит свои настройки по умолчанию, и ее адрес будет равен RCA = 0x0001. Если к хосту подключено несколько карт, то с помощью команды SET_RELATIVE_ADDR (CMD3) он задает каждой карте собственный адрес. Также в начале работы выполняется проверка поданного на карту напряжения. Напряжение карты должно быть в строго установленном диапазоне от 2.7 до 3.6 В. В связи с этим хост-контроллер с помощью команды SEND_OP_COND (CMD1 или ACMD41 ) обязан узнать текущее напряжение на карте и прекратить с ней работу, если оно не входит в требуемый диапазон. Таков общий принцип инициализации карты, для выполнения которой, в зависимости от типа карты (MMC, SD, SD I/O), могут использоваться другие команды и выполняться дополнительные шаги, поэтому при реализации низкоуровневого интерфейса нужно внимательно прочитать документацию на карту и изучить команды CMD.

Во время записи хост передает карте один или несколько блоков, используя команду WRITE_BLOCK (CMD24) или WRITE_MULTIPLE_BLOCK (CMD25) , соответственно, при этом в конце каждого блока хост записывает контрольную сумму. Карта, запись данных для которой разрешена, всегда будет в состоянии принять блок(и), но если контрольная сумма не совпадет, то карта сообщит об ошибке и не запишет текущий блок в свою память, а в случае пакетной передачи следующие блоки будут проигнорированы.

Передать информацию хосту, то есть выполнить чтение, также можно одним блоком с помощью команды READ_SINGLE_BLOCK (CMD17) или пакетом из нескольких блоков с помощью команды READ_MULTIPLE_BLOCK (CMD18) . В случае пакетной передачи хост может прервать чтение в любое время, отправив команду STOP_TRANSMISSION (CMD12) . Если в ходе передачи нескольких блоков внутренний контроллер карты зафиксирует ошибку, то он остановит передачу данных хост-контроллеру, но оставит карту в режиме передачи данных. В таком случае хосту придется принудительно завершить чтение с помощью команды CMD12 , при этом в ответе на эту команду карта сообщит об ошибке чтения.

Организация правильной работы шины SD является достаточно трудоемким процессом, поскольку помимо общих ситуаций, описанных выше, необходимо предусматривать различные нюансы в поведении карты и реализовывать дополнительные обработчики ошибок. Поэтому наиболее рациональным решением будет использование специальных библиотек, позволяющих разработчику не вдаваться в подробности передачи данных на аппаратном уровне и существенно сократить время разработки. Одной из таких библиотек, о которой пойдет речь ниже, является библиотека-драйвер stm324xg_eval_sdio_sd для популярных микроконтроллеров , позволяющая существенно упростить работу с модулем SDIO, предназначенным для взаимодействия с SD-картами.

Драйвер stm324xg_eval_sdio_sd

Этот драйвер представляет собой библиотеку функций, с помощью которых можно реализовать высокоуровневый интерфейс для обмена данными с SD-картой. Драйвер поставляется для работы с отладочной платой STM324VG (UtilitiesSTM32_EVALSTM3240_41_G_EVAL), но после изменения функций, связывающих эту библиотеку с низкоуровневым интерфейсом SDIO он может функционировать со многими микроконтроллерами семейства STM32, в составе которых имеется модуль SDIO. Из предыдущего предложения следует, что к проекту должны быть подключены файлы из стандартной библиотеки Standard Peripheral Library , обеспечивающие функционирование модуля SDIO на низком уровне. Например, для микроконтроллеров серии STM32F4xx это будут файлы stm32f4xx_sdio.c и stm32f4xx_sdio.h .

Перед использованием функций драйвера программист должен связать этот драйвер с аппаратной частью, то есть настроить линии модуля SDIO. Для этого ему нужно в основном файле своей программы main.c создать функции SD_LowLevel_Init() (для включения модуля SDIO) и SD_LowLevel_DeInit() (для отключения модуля SDIO), в которых необходимо выполнить конфигурирование этих линий. Если программист желает использовать модуль прямого доступа к памяти для увеличения скорости работы с SD-картой, то ему также нужно будет создать функции SD_LowLevel_DMA_TxConfig() и SD_LowLevel_DMA_RxConfig() , отвечающие за передачу и прием данных с помощью модуля ПДП. В качестве примера инициализации четырех указанных функций можно взять код, имеющийся в файле stm324xg_eval.c из (UtilitiesSTM32_EVALSTM3240_41_G_EVAL).

Теперь рассмотрим основные функции для работы с SD-картой, предоставляемые этим драйвером. Для того, чтобы инициализировать карту, нужно вызвать функцию SD_Init() , которая настраивает модуль SDIO, обращаясь к SD_LowLevel_Init() , проверяет тип SD-карты, получает служебную информацию из регистров CID и CSD, задает скорость передачи данных (по умолчанию 24 МГц) и устанавливает ширину шины (4 бита). Прочитать данные, полученные с карты, можно с помощью функций SD_ReadBlock() (для чтения одного блока) и SD_ReadMultiBlocks() (для чтения нескольких блоков). Чтобы записать данные на карту, используют функции SD_WriteBlock() (для записи одного блока) и SD_WriteMultiBlocks() (для записи нескольких блоков). Эти функции чтения и записи принимают три аргумента: buffer (переменная-буфер, в которую должны помещаться данные для чтения и записи), address (адрес ячейки памяти SD-карты) и block_size (всегда 512, поскольку эти функции работают только с блоками длинной 512 байтов). Для стирания определенной области памяти карты имеется функция SD_Erase() . В качестве аргументов она принимает startaddr и endaddr. В первом указывается адрес ячейки памяти, с которой начнется стирание, а во втором - адрес ячейки, на которой стирание будет завершено.

Передача данных между модулем SDIO и памятью микроконтроллера может осуществляться как обычным путем через центральный процессор, так и через блок прямого доступа к памяти. Для выбора необходимого режима нужно в файле stm324xg_eval_sdio_sd.h раскомментировать либо строчку #define SD_POLLING_MODE (обычный режим), либо строчку #define SD_DMA_MODE (режим ПДП). После любой операции записи или чтения необходимо с помощью функции SD_GetStatus() проверять, завершила ли карта текущую операцию, и готова ли она к приему или отправке новых данных. Если эта функция вернула значение SD_TRANSFER_OK, то передача завершена успешно, возврат SD_TRANSFER_BUSY означает, что канал передачи занят, а возврат SD_TRANSFER_ERROR сообщает об ошибке передачи. Все эти значения определены в структуре SDTransferState , записанной в stm324xg_eval_sdio_sd.h . Если передача информации выполнялась через блок ПДП, то дополнительно нужно проверять, завершил ли контроллер ПДП все операции по пересылке данных. Это делается с помощью функции SD_ReadWaitOperation() . Также стоит отметить, что передача через блок ПДП завершается прерыванием, поэтому программисту необходимо организовать вызов функции SD_ProcessIRQ() в обработчике прерываний модуля SDIO SDIO_IRQHandler() и вызов функции SD_ProcessDMAIRQ() в обработчике прерываний DMA2 DMA2_Streamx_IRQHandler() .

Для лучшего понимания принципа работы драйвера stm324xg_eval_sdio_sd можно воспользоваться рабочим примером из папки SDIOSDIO_uSDCard (ProjectSTM32F4xx_StdPeriph_ExamplesSDIO). С помощью этой тестовой программы можно выполнить стирание определенной области памяти карты, запись данных по определенному адресу, чтение данных по этому же адресу с последующим сравнением отправленной и принятой информации. Идентичность буфера приема и буфера отправки является свидетельством того, что модуль SDIO, шина передачи информации и SD-карта функционируют нормально.

Таким образом, можно сказать, что SD-карты являются достойными конкурентами USB флеш-накопителей, когда речь заходит о проектировании малых встраиваемых систем, требующих хранения больших объемов данных. Передавать информацию с карты и на карту можно с помощью интерфейса SPI или по шине SD, которая разработана для этих целей и обеспечивает высокую скорость передачи. Реализация связи с картой существенно упрощается при использовании специальных драйверов, облегчающих работу с аппаратной частью и предлагающих программистам простые в использовании функции. Но, к сожалению, записанные в произвольном порядке данные не будут восприняты какой-либо операционной системой, например, Windows, поэтому в следующей части будет рассмотрен порядок работы с SD-картой, имеющей файловую систему FAT.

Список источников

Разбираясь к контроллером STM32 встала задача подключения внешней памяти, а точнее SD карты, как наиболее простого и удобного средства хранения. И дабы облегчить кому-то жизнь, опишу, как это было сделано и приложу исходный код.

Для сохранения данных нужно место. Можно использовать flash-память микроконтроллера, но это уменьшает количество циклов записи. Можно EEPROM на шине I2C или SPI, но они, как правило, малого объема, и удобны для хранения только системных настроек. А вот использование карты памяти - это как раз то, что надо. Большой объем, удобство передачи информации, возможность передачи информации в контроллер (например прошивка).

SD-карта может быть подключена двумя разными интерфейсами - SDIO и SPI. Так как скорость работы с памятью в данном случае не критична, использовался SPI протокол. Для сохранения измерений и прошивки прибора этого должно хватить.

Подключение.

Давайте посмотрим на распиновку карты памяти. Для работы по интерфейсу SPI помимо питания нам понадобятся сигналы CS, SCK, MISO, MOSI. На контроллере эти сигналы подключил к выводам:

• PB12 - CS
• PB13 - SCK
• PB14 - MISO
• PB15 - MOSI

Также нам понадобится работа с файловой системой на карте памяти. Для этого будем использовать библиотеку FatFS.

Итак, в первую очередь нам необходимо инициализировать всю необходимую периферию и написать драйвер устройства, т.е. функции инициализации, приема и передачи данных. Тут не забываем, что инициализация устройства должна происходить на малой скорости обмена, и только после можно переходить на полную скорость.

Для инициализации карты памяти используется функция

DSTATUS disk_initialize (
uint8_t drv /* Physical drive number (0) */
)

которая в свою очередь настраивает и инициализирует SPI интерфейс и SD карту.

Для считывания данных с карты используется функция

DRESULT disk_read (

uint8_t *buff, /* Pointer to the data buffer to store read data */


)

Для записи на карту

DRESULT disk_write (
uint8_t drv, /* Physical drive number (0) */
const uint8_t *buff, /* Pointer to the data to be written */
uint32_t sector, /* Start sector number (LBA) */
uint8_t count /* Sector count (1..255) */
)

Не следует забывать, что это низкоуровневые функции работы с картой памяти. Они используются библиотекой FatFS для доступа к карте. А вся дальнейшая работа идет с помощью функций библиотеки.

Ну и в заключение пример работы, который создает директорию, в ней файл.

FRESULT f_err_code;
static FATFS FATFS_Obj;
UINT len; //для хранения количества реально записанных байт
if (disk_initialize (0) == 0)
if (f_mount(0, &FATFS_Obj) == 0) { //Mount Fat Fs

Res = f_mkdir ("0:WorkProj"); //создаем директорию
f_chdir ("0:/DIR");
char str="Hello, Word"; //записываемая строка
//создаем файл с именем FileName и открываем его для для записи
res = f_open(&fil_obj, "newfile.txt", FA_WRITE | FA_CREATE_ALWAYS);

//записываем строку в файл
res = f_write(&fil_obj, str, sizeof(str), &len);
// if(res) return res; //если произошла ошибка
//закрываем файл
f_close(&fil_obj);
}

Как видно из рисунка после передачи кадра команды необходимо продолжать чтение байтов (Ncr) от microSD до получения ответа (R1), при этом уровень CS должен быть активным "0".

В зависимости от индекса команды ответ может быть не только R1 (см. набор основных команд) на CMD58 ответ R3 (R1 и завершающее 32-битное значение OCR), а некоторым командам нужно больше времени NCR и они ответ будет R1b . Это ответ R1, за которым идет флаг занятости (сигнал на линии "DO" удерживается картой в низком уровне, пока продолжается внутренний процесс). Контроллер хоста должен ждать окончания процесса, пока "DO" не перейдет в состояние высокого уровня (т.е. дождаться 0xFF). А так же R2 при запросе состояния регистра STATUS.

Ответ R1 содержит 1 байт, его структуру можно посмотреть в таблице ниже. Ответ R2 состоит из двух байт, первый байт R1 и второй R2 (см. таблицу структуры R2). А ответ R3 соответственно из 5 байт.

Ответ R1 при значении 0х00 означает успешное завершение команды, иначе будет установлен соответствующий флаг.

Структура ответа R1.

Структура ответа R2.

Инициализации в режиме SPI.

После сброса и подачи питания карта по умалчиванию устанавливается в режим работы по протоколу MMC (Serial Peripheral Interface), для перевода в режим SPI необходимо сделать следующее:

1. После достижения питания 2.2 В, подождать не менее миллисекунды, установить на линиях DI и CS высокий уровень и выдать около 80 импульсов на вывод CLK. После такой процедуры карта будет готова принять родную команду.
2. Послать команду CMD0 (программный сброс). Карта должна ответить (R1) с установленным битом ожидания (0x01).
3. Послать команду CMD1 (для начала инициализации карты). Ждать ответа 0х00 для подтверждения завершения процесса инициализации.

Напомню, что команда CMD0 должна содержать корректное поле CRC. Рассчитывать нет смысла, так как аргументов в этой команде нет, по этому оно постоянно и имеет значение 0х95. Когда карта войдет в режим SPI, функция CRC будет отключена и не будет проверяться. Опция CRC может быть снова включена командой CMD59.

В результате команда CMD0 будет выглядеть так: 0х40,0х00,0х00,0х00,0х00,0х95.

• индекс команды - 0х40.
• аргумент- 0х00,0х00,0х00,0х00.
• CRC-0х95.

Что касается 80 импульсов, то их можно сформировать передавая по SPI значение 0хFF 10 раз подряд при установленных высоких уровнях на линиях DI и CS.

После простоя более 5 мс карта памяти переходит в энергосберегающий режим, и способна принимать только команды CMD0, CMD1 и CMD58. По этому процесс инициализации (CMD1) необходимо практически каждый раз повторять при чтении/записи блока данных или делать проверку состояния карты.

Для SDC-карт в случае отклонения команды CMD1 рекомендуется использовать команду ACMD41.

Сам процесс инициализации может занять относительно длительное время (в зависимости от объема карты) и может достигать сотен миллисекунд.

Чтение и запись блока данных.

По умолчанию в режиме SPI обмен между микроконтроллером и картой ведется блоками по 512 байт, по этому для записи даже одного байта придется сначала прочитать весь блок и изменив байт перезаписать обратно. Размер блока может быть изменен в регистре CSD карты памяти.

Воизбежания ошибки адресации при выполнении команд чтения/записи необходимо что бы адрес указывался четко начала сектора. Для этого можно сбрасывать бит "0" 3 байта адреса сектора, т.е. делать его четным, а младший всегда должен иметь значение 0х00.

Чтение блока данных.

Алгоритм чтения блока данных следующий:

• После подтверждения инициализации передаем команду CMD17 (ответ R1), с адресом необходимого сектора.
• Передаем 0xFF до получения стартового байта 0xFE .
• Принимаем блок данных (по умалчиванию 512 байт) и 2 байта CRC.

Значение CRC не обязательно, но процедура принятия (передача 0хFF от МК) необходима.

Чтение блока.

Запись блока данных.

Алгоритм записи блока данных следующий:

• Если простой карты был более 5 мс передаем команду CMD1 (ответ R1).
• После подтверждения инициализации передаем команду CMD24 (ответ R1), с адресом необходимого сектора.
• Передаем стартовый байт 0xFE .
• Передаем блок данных (по умалчиванию 512 байт) и 2 байта CRC.
• Получаем байт подтверждения записи.
• Ждем окончания записи (изменения байта 0х00).

Блок данных может быть меньше 512 байт при изменении длины блока командой CMD16.

Значение CRC не обязательно, но процедура передачи любыми значениями необходима.

Оценку простоя можно программно и не делать, а сразу давать команду инициализации. При программной реализации столкнулся с некорректной записью, почему то все байты были записаны в сектор со сдвигом влево. Проблему удалось решить, только передавая стартовый бит (0xFЕ) два раза.

Запись блока.

Байт подтверждения при записи блока данных.

Запись/чтение нескольких блоков подряд.

При помощи команд CMD18 , CMD25 можно прочитать/записать несколько блоков подряд или так называемое многоблочное чтение/запись. Если не было задано количество блоков, то процесс чтения/записи можно остановить командами CMD12 при чтении, а так же передачей маркера "Stop Tran " при записи соответственно.

Практическое применение.

Практическое применение карт памяти довольно широко. В последней своей конструкции задействовал microSD для записи показаний с различных датчиков (температуры, сигнализации) в течении дня каждый час. Данные сохраняются следующим образом:

• Год берется последние две цифры - это соответствует первому (главному) байту адреса сектора карты памяти.
• Месяц, две цифры - это соответствует второму, старшему байту адреса сектора карты памяти.
• День, две цифры умножаются на 2 (во избежание наезда вне границы сектора) - это третий, средний байт адреса сектора карты памяти.
• Младший, четвертый байт соответственно всегда "0".

В результате упрощается поиск данных по дате, достаточно просто перевести запрос в адрес сектора и выполнить чтение с карты. При таком методе данные можно хранить в течении нескольких лет. Правда есть и недостатки, остается достаточно много неиспользованного места. Хотя при желании можно использовать для других задач.

Кому надо скину фрагмент кода на ассемблере для 18 пиков.

Вопросы можно задать на ..

Всем доброго дня! Сегодня мы поговорим о подключении карты памяти SD к микроконтроллеру STM32.

Казалось бы, памяти полно у контроллеров STM32F10x, зачем там еще дополнительная, но это впечатление обманчиво) Вот, например, надо нам на дисплей вывести пару-тройку разных изображений – формат 320*240 – то есть 76800 пикселей, каждому из которых соответствует целых 2 байта. Вот и получаем около 150 кБ на одну картинку. А это немало по меркам микроконтроллера, и не факт, что две разные картинки удастся запихать в его Flash память. Или надо нам хранить большие объемы информации, данные с какого-нибудь датчика, к примеру. Да еще так, чтобы эти данные были доступны и после отключения питания. Вот тут то нам и пригодится внешняя память. И отличным решением будет SD карта памяти или MMC. К слову в этой статье мы будем проводить опыты над картой micro SD .

Для начала пара слов о самой карте памяти, точнее о ее распиновке. Выглядит все это дело следующим образом:

Итак, что тут у нас? Ну сразу видно, что выводов у нее целых восемь штук. Назначение выводов следующее (слева направо):

Колонка SPI Mode нам намекает на то, что взаимодействует с микроконтроллером при помощи интерфейса SPI. НО! Мы пойдем по другому пути 😉 Все дело в том, что STM32 имеют на своем борту готовый периферийный модуль для работы именно с картами памяти, и называется он SDIO.

Вообще взаимодействие с картами памяти заключается в передаче им определенных команд. Некоторые команды требует наличия аргумента, некоторые нет. Команды можно найти в официальной документации на конкретную карту. Так вот встроенный модуль SDIO дает возможность значительно упростить процесс передачи команд, да и вообще процесс работы с внешними картами памяти. Например, вот регистр SDIO_CMD – туда мы просто напросто записываем код команды, которую хотим передать карте. Или вот статусный регистр SDIO_STA – там целых 24 флага на каждый чих, то есть для большого количества событий.

Кстати STM радует еще и добротной документацией на все это дело. Вот, к примеру, подробное описание инициализации для карты памяти SD (аналогично все описано для других типов карт):

Ну, собственно, пора перейти к практическому примерчику. Поковыряем-ка Standard Peripheral Library.

В файле stm32f10x_sdio.h по традиции находим структуры для всевозможной настройки – то есть для выбора источника тактового сигнала, частоты контроллера SDIO, настройки количества передаваемых байт. Там все так щедро откомментировано, что даже не хочется отдельно это повторять)) Просто смотрите:

Отметим как в SPL реализована передача команд карте памяти. Для этих целей отведена отдельная структура SDIO_CmdInitTypeDef. В поле SDIO_CmdIndex вводим код команды, в поле SDIO_Argument – аргумент команды, также заполняем остальные поля. Осталось как то эти данные запихать в карту micro SD 😉 А для этого нам приготовили функцию:

SDIO_SendCommand (SDIO_CmdInitTypeDef *SDIO_CmdInitStruct)

В качестве аргумента передаем ей как раз таки созданную нами структуру. Для записи данных есть функция – SDIO_WriteData(uint32_t Data) . После вызова этой функции данные окажутся в специально предназначенном для этого регистре – SDIO_FIFO.

Вот так вот осуществляется работа с модулем SDIO в STM32F10x)

Теперь перейдем к практике наконец-то. Я снова буду работать с платой Mini STM32, поскольку добрые китайцы озадачились установкой на нее слота для карты памяти micro SD. Вот схема подключения разъема для карты к микроконтроллеру:

Для написания программы воспользуемся готовым примером для Keil’а – стащим оттуда два файла, в которых реализовано что-то вроде драйвера для работы с картами – это файлы sdcard.c и sdcard.h. Создаем новый проект, цепляем туда эти файлы, а кроме того, естественно, файлы CMSIS и SPL. Вот готовый проект, в который все уже добавлено – остается только написать код функции main())

В файле sdcard.c реализованы всевозможные функции для работы с картой памяти, нам теперь остается их только использовать 😉 Пишем код! Для примера запишем на micro SD 512 байт тестовых данных, а затем попробуем их считать:

Обратите внимание, что SD карта поддерживает запись блоками по 512 байт.

Если мы запустим программу под отладчиком, то увидим, что считанные данные соответствуют записанным =) Так что эксперимент можем считать удавшимся. На этом на сегодня заканчиваем, до скорых встреч!

BigPack 25 февраля 2014 в 22:02

Полнофункциональный драйвер SDHC карты памяти для Stm32f4 (часть 1)

• Системное программирование

Для чего эта статья?

Решений сего кейса масса, начиная от приобретения и подключения микросхем EEPROM и заканчивая коннектом стандартной USB флешки к аппаратному USB хосту камня (если таковой имеется, конечно). Ну, а для хэнд-майд проектов, отличным вариантом будет самая, что ни на есть классическая SD’шная карта памяти. Они бывают разного типа, имеют различные механизмы инициализации и передачи данных и подключаются к хосту через различные интерфейсы (их, правда, только три, но об этом позже). Более того, многие современные микроконтроллеры имеют на своем борту аппаратные модули этих интерфейсов, и работа разработчика сводится лишь к их конфигу и посылу карточке нужных команд в соответствии с протоколом. Ну и еще карты памяти имеют приятное свойство элементарно покупаться на каждом шагу.

О Secure Digital (SD) картах

Формат SD был основан компаниями Panasonic, SanDisk и Toshiba на основе MMC карт. Позже эти компании создали организацию SD Card Association, в настоящее время занимающуюся разработкой и продвижением технологии SD. Основной документ, в котором досконально описан интерфейс, протокол, команды, регистры карточек - Physical Layer Simplified Specification (Copyright 2001-2006 SD Group (Panasonic, SanDisk, Toshiba) and SD Card Association). Именно эту информацию используют всякие R&D центры при разработки аппаратного и программного обеспечения своих будущих девайсов. Сам файлик благополучно лежит в свободном доступе в инете, и скачать его не предоставляется никаких сложностей. Так вот, в соответствии с этим документом, существуют следующие типы карт памяти:
SD карты (или еще SDSC (Secure Digital Standard Capacity)) – первое поколение карт памяти. Ограничение по объему – 2 Гб. Минимальный размер адресуемого пространства – 1 байт.
SDHC карты (Secure Digital High Capacity) – карты памяти повышенной емкости (до 32 Гб). Имеют существенное отличие от первого типа, а именно, адресация происходит блоками по 512 байт и никто в этом мире не может изменить это значение. Иными словами, нельзя просто так взять и записать, к примеру, 71 байт информации: минимальный размер пачки, повторюсь, 512 байт. Особо не копал, почему так, но есть личное мнение, что это из-за используемого 32-битного адресного пространства контроллера и из-за того, что карты памяти обычно форматируются под ту или иную файловую систему, размер кластера которой удобно сочетается с такими блоками. Еще у SDHC карт дугой процесс инициализации, о котором поговорим чутка по позже.
SDXC (Secure Digital eXtended Capacity) – карты памяти расширенной емкости – теоретически аж до 2Tб памяти. Адресация тоже по 512 байт. Вот оно и получается при 32-битном пространстве: (2^32)*512 = 2 Тб.

На каждое поколение карт существуют спецификации, и при этом в каждом документе на более новое поколение описывается инфа о старых – то есть они «толстеют» с каждым обновлением продукта. Так что скачиваем Physical Layer Simplified Specification самой последней версии и находим там все, что надо для работы со всеми поколениями карт. Кроме этого, карты памяти делятся на несколько классов по скорости чтения/записи данных. Ну, а что касается всяких там mini-, microSD, microSDXC и т.д. – это всего лишь другой размер корпуса и распиновка – никаких внутренних отличий от карточек стандартных габарит.

А теперь важно: ВНЕ зависимости от типа карты, емкости, ее производителя, типа корпуса, цвета и магазина, где вы ее купили – все Security Digital карты имеют одинаковые интерфейсы взаимодействия с внешним миром. Команды, механизмы инициализации – разные, да, но интерфейсы – ОДИНАКОВЫЕ. Именно это позволяет напофиг воткнуть в фотик как SD, так и SDHC карту памяти. Ну, вот и пришел момент обсудить язык карточки, а точнее аж три: SD и UHS-II (нэйтив спикер) и «язык универсальной микропроцессорной коммуникации, который сейчас знает каждая нерезаная собака микроконтроллер» - SPI .

Интерфейс карты памяти

Так что же такое SD протокол и с чем его едят? Ключевых понятий тут три:
команда – последовательность битов, воспринимаемых контроллером карточки и призывающих его к тому или иному действию;
отклик – ответ контроллера карты на команду. Он может содержать как общую информацию (статус карты, текущее состояние различных внутренних модулей и т.д.), так и, собственно, ожидаемую хостом информацию (запросили в команде идентификатор карты – получили его в отклике);
данные – ну тут без комментариев.

Но прежде, чем посмотрим на логику протокола, обратимся к физике интерфейса (очень обзорно).

Pin 4 – питание карточки;
Pin 3, 6 – земля;
Pin 5 – тактовый сигнал;
Pin 2 – линия команд и откликов;
Pin 1, 7, 8, 9 – линии 4-битной шины данных.

Все посылки карточке и обратно есть последовательности битов, строго синхронизированные с тактовым сигналом, передаваемым по линии CLK . Рекомендуемые частоты описаны в спецификации на карту и имеют различное значение, в зависимости от ее типа и класса скорости. Отмечу только, что для любой карты инициализация проходит на очень малой (по сравнению с передачей данных) частоте. Шина данных может быть 1-битной (работает только D0) или 4-битной – это конфигурируется при инициализации. Важно, что для SD карт со стороны хоста линии данных и команд должны быть Push-Pull и быть подтянуты к питанию через резисторы 4.5 – 10 кОм. Тактовую шину тоже нужно подтянуть к питанию.

Ну, а теперь к протоколу!

1) Команды без данных.
Все команды делятся на требующие и не требующие отклик .

Как видно из рисунка, если нам (хосту) нужно послать команду, не требующую отклика – просто шлем ее. Если же, команда подразумевает некий ответ, шлем, а затем ждем ответа. Почти все команды и отклики проверяются контрольной суммой, как со стороны хоста, так и со стороны карты. Ну, посмотрим на формат команды:

Кадр состоит из 48 бит. Первый – старт бит – всегда нуль. Затем, говорим, что данные направляются от хоста к карте и посылаем команду с аргументом. Да, да, команда состоит из индекса и аргумента. После команды обязательно шлем 7-битную контрольную сумму, вычисляемую по алгоритму циклически избыточного кода (CRC) и завершаем посылку стоп битом. Команды бывают двух типов: CMD (базовые команды) и ACMD (Application-Specific Command) . Они могут быть с аргументом и без, иметь отклик и не иметь. Всего существует порядка 80 команд (не считал точно, может и больше) и каждая из них подробно описана в спецификации. Мы остановимся лишь на некоторых, необходимых для основной работы с карточкой (инициализация, чтение, запись). Индекс команды – это та цифра, которая идет после символов CMD или ACMD. Под него отведено 6 бит и 32 бита аргумента команды, если таковой требуется.

Важное пояснение по поводу ACMD : пространство их индексов пересекается с индексами CMD команд, поэтому, чтобы контроллер воспринял команду именно, как Application-Specific, ей должна предшествовать CMD55 !

Отклик (если требуется) – тоже целая тема, хотя бы, потому что их пять типов.

R1 (normal response command) – длина 48 бит. Пожалуй, самый популярный отклик.


Содержит в себе старт бит, бит направления передачи (от карты к хосту), 6 битов индекса команды, побудившей на генерацию отклика, статус карты и, конечно же, контрольную сумму со стоп битом. Всю информацию в отклике этого типа несет 32 битное поле статуса карты . В спецификации тщательно и добросовестно расписано, что означает каждый бит этого статуса (карта занята/свободна, блокирована/разблокирована, текущее состояние автомата передачи данных, готовность к тому или иному действию и многое другое).

R1b – такой же формат, как и в случае R1 отклика, только передает еще флаг занятости (busy) по линии данных.

R2 (CID, CSD register) – длинной в 136 бит отклик передает хосту содержимое CID и CSD регистров контроллера карточки.


Здесь вся полезная информация содержится в 127 битном поле, в которое помещается либо содержимое CID (в случае, если это отклик на CMD2 или CMD10 команду), либо содержимое CSD регистра (в случает посыла CMD9 команды). Так что же это за регистры такие, что под них специальные команды придуманы, да еще и с таким длинным откликом?
CID (Card identification data) – как видно из названия, содержит всю идентификационную информацию о карте (серийный номер, производитель, дата изготовления и др…). CSD (Card-specific data) – вся техническая информация о карте (объем памяти, размер блоков чтения/записи, максимальные скоростные характеристики, максимальные характеристики по потребляемому току в различных режимах и многое другое). Именно эту информацию использует хост мобилы или камеры для получения всей информации о вставленной карточке.

R3 – длиной в 48 бит, приходит как ответ на команду ACMD41 и несет в себе информацию о содержимом OCR (Operation Conditions Register) регистра карты.


ACMD41 – команда инициализации карты. После ее посыла необходимо ожидать данного отклика, который будет говорить об успешном завершении процесса инициализации и сообщать содержимое регистра OCR (доступный диапазон напряжений, тип карты памяти, и флаг занятости).

R6 (Published RCA response) – содержит в себе RCA (Relative card address) карты и некоторые статус биты.


Шина предполагает подключение нескольких карт к одному хосту. Поэтому очень важно такое понятие, как собственный адрес карты на шине. Это и есть содержимое RCA регистра.

R7 (Card interface condition) – 48 битовый отклик на команду CMD8.


Карта оперирует определенным напряжением, ни больше не меньше. До инициализации необходимо это валидировать (об этом позже). В ответе карта посылает само напряжение (точнее значение, соответствующее этому диапазону) и некий чек паттерн (об это тоже позже).

2) Данные.
Напомню (это было сказано давно…), мы рассмотрели посыл команд и получение отклика от карты. Теперь самое время разобраться с тем, как же слать, собственно, данные. Повторюсь, делается это блоками по 512 байт (для SDHC карт) - все адресное пространство карты разбито на 512 байтовый ячейки . Посылке данных всегда должна предшествовать специальная команда, говорящая контроллеру карты о том, что данные вот-вот уже пойдут. А идут они, как я уже говорил – по 1- или 4-битной шине. Посмотрим на формат посылки данных к хосту от карты (чтение).

Возможны два режима передачи данных: одним блоком (block read operation) и несколькими блоками сразу (multiple block read operation). В любом случае, старт передачи и ее завершение происходят по специальной команде, обратите внимание, с откликом.

Обратная процедура (запись) осуществляется аналогичным образом, только между пачками обязательно присутствует busy, сигнализирующий о неготовности карты принять следующий блок (данные еще не записались во флэш карты).

Инициализация SD Карты памяти

ВАЖНО : инициализация проводится на низко скоростном режиме! Частота клока карты не более 400 кГц!!!

Шлем CMD0 , обратим внимание, без аргумента и не ждем ничего в отклике. В результате все карты на линии передут в холостой режим.

Помните, я говорил, что напряжение нужно валидировать? Правильно! Нужно сказать карте, на каком вольтаже мы работаем и выслушать от нее все по этому поводу. Шлем CMD8 с аргументом, в котором биты 11:8 означают напряжение хоста и биты 7:0 – check pattern (проверочный шаблон) – любой, спецификация рекомендует слать 10101010 . Биты напряжения ставятся в соответствии с таблицей:

Ну, у нас все очень даже определено и далеко не Low Voltage Range. Stm32f4 выдает как раз напряжение в диапазоне 2.7 – 3.6 V, так что ставим 1 на восьмом бите аргумента. Итого, имеем команду с аргументом 110101010 . Отправили. Прочекали, что все отправилось хорошо и ждем ответа, он не заставит нас делать это долго. В спецификации увидели, что ответ на эту команду – R7 типа.
Если мы его так и не дождались, то дальнейшая команда ACMD41 решит, как именно нас надули – подсунули карту версии 1.X стандартной емкости или вообще не SD карту. Правда есть вероятность, что мы просто что-то не так делаем. Но не будем о грустном, и предположим, что флешка все таки ответила. Если с напряжением все хорошо, карта довольна, мы довольны, ответ будет содержать в себе все то, что мы отправили в аргументе, то есть 110101010 . Это называется valid esponse . Если так, переходим к дальнейшему шагу, иначе – опять же – либо надули, либо где-то косяк.

Дождались 110101010 , и пришло время непосредственной инициализации – команды ACMD41 . И тут вспоминаем ВАЖНОСТЬ : чтобы сказать карточке, что команда не простая, а ACMD, отправим сперва CMD55 . В аргументе обязательно указываем, адрес той карты, для которой эта команда предназначена. Но стоп, у нас, ведь, пока нет адреса, мы его не знаем. Ничего, узнаем … но по позже, а пока пишем нули и шлем. Получив ответ типа R1 удостоверяемся, что карта готова принимать ACMD и только после этого шлем 41 индекс! Команда идет с аргументом, в котором на месте 30-ого бита указываем 1, что говорит о поддерживаемости хостом SDHC карт и напряжения хоста на месте 23:0 битов (см. содержимое OCR регистра). Ответ ждем R3 типа. Здесь нам важно получить 1 на месте 31ого бита в пачке ответа, несущей содержимое OCR регистра карты (флаг busy). Это будет говорить о том, что карта завершила процесс инициализации. Виду того, что этот процесс длится долго (гораздо дольше, чем тактовый цикл микроконтроллера), необходимо слать ACMD41 в цикле до тех пор, пока не получим ответ со снятым флагом занятости. Как только это случилось, чекам 30 бит, и, если он единица, то имеем карту повышенной емкости SDHC или SDXC, и карту стандартной емкости SD в противном случае. Если же мы ждали, ждали, а флаг бизи все висит и висит, то, как и в описанном выше случае – либо неподходящая карта, либо (скорее всего) наш косяк.

Далее шлем CMD2 - без аргумента и смотрим на ответ R2 . В этом случае он будет нести информацию о содержимом CID регистра, и мы сможем вычитать ID производителя, серийный номер карты и прочую информацию.

И, наконец, заключительный шаг – получение адреса карты (RCA - relative
address ). Как оно уже упоминалось, к одной шине может быть подключено несколько карт, поэтому каждая должна иметь свой уникальный локальный адрес. Шлем CMD3 и получаем ответ типа R6 , в котором в младших 16 битах содержится статус карты, а в старших – новый RCA адрес. Отныне, для доступа к нашей карточке, мы должны будем звать ее по имени, то есть по RCA адресу.

Опциональный пункт. По умолчанию карта работает с 1-битной шиной данных, что, ясное дело, медленнее, чем с 4-х битной. Если мы хотим достичь максимального быстродействия – шлем ACMD6 , с предшествующей CMD55 , конечно же. Но прежде, нужно перевести карту в состояние Transfer State (см. ниже) командой CMD7 с RCA в качестве аргумента. В аргументе ACMD6 на месте самого первого бита пишем 1 – если хотим включить 4-битный мод и 0 – для отключение. Ответ R1 скажет об успешном проведении операции.

Пример инициализации SDHC карты

Char SDHC_card_initialization(unsigned int *RCA) { char result; unsigned int RESP; result = SDIO_send_command(0, 0, 0, RESP); //Посылаем CMD0, дабы обнулить карты if (result != 0) return result; //Чекаем на успех result = SDIO_send_command(8, 0x1AA, 1, RESP); //Посылаем CMD8 с аргументом 110101010 if ((result != 0) || (RESP != 0x1AA)) return 4; //Чекаем на успех while(!(RESP&(1<<31))) //Ждем, пока флаг бизи не слезет { result = SDIO_send_command(55, 0, 1, RESP); //Шлем CMD55, тем самым, говоря, что потом будет ACMD if (result != 0) return result; result = SDIO_send_command(0x29, 0x40020000, 1, RESP); //Шлем ACMD41 if (result != 0) return result; } result = SDIO_send_command(2, 0, 3, RESP); //Шлем CMD2 и получаем инфу о карте if (result != 0) return result; result = SDIO_send_command(3, 0, 1, RESP); //Шлем CMD3 и получаем RCA номер if (result != 0) return result; SDIO->CLKCR = (0x02<<0)|(1<<11)|(1<<8)|(1<<14); //Наращиваем клок (в части 2 - подробнее) *RCA = (RESP & (0xFFFF0000)); //Маскируем отклик и получаем RCA result = SDIO_send_command(7, *RCA, 1, RESP); //Выбираем нашу карту if (result != 0) return result; result = SDIO_send_command(55, *RCA, 1, RESP); //Шлем CMD55, тем самым, говоря, что потом будет ACMD if (result != 0) return result; result = SDIO_send_command(6, 0x02, 1, RESP); //Шлем ACMD6 c аргументом 0x02, установив 4-битный режим if (result != 0) return result; if (RESP != 0x920) return 1; else return 0; //Убеждаемся, что карта находится в готовности работать с трансфером return 0; }
Запускаем код, убеждаемся, что в ответе пришел НУЛЬ и завершаем инициализацию. Все, можем работать с памятью и писать/считывать информацию.

Обмен данными

Запись данных на карту

Чтение данных

Не буду приводить в этой статье листинг программы чтения/записи, так как он, в отличии от подпрограммы инициализации слишком сильно завязан на железе SDIO модуля микроконтроллера Stm32f4, а это – тема второй части статьи.