RISC-V MCU开发实战 (二)：SD初应用

Rvfive · 发表于 2021-10-27 13:49:22

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软件平台 MounRiver Studio(MRS)，硬件平台CH32V103开发板，以及一张小于32G SD卡。

1、SD卡简介
SD存储卡( Secure Digital Memory Card)是一种基于半导体快闪存储器的新一代高速存储设备。SD存储卡的技术是从MMC卡( MultiMedia Card格式上发展而来，在兼容SD存储卡基础上发展了SDIO( SD Input/ Output)卡，此兼容性包括机械，电子，电力，信号和软件，通常将SD、SDIO卡俗称SD存储卡。
SD卡具有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性，它被广泛地应用于便携式装置上，例如数码相机、平板电脑和多媒体播放器等。根据SD卡容量大小不同，可将SD卡分为以下几类：

0~2G：SD卡；2~32G：SDHC卡；32~2T：SDXC卡；
其中，SD卡协议和SDHC卡版本协议基本兼容，但SDXC卡与SD卡和SDHC卡相差较大，本文主要介绍使用SD卡和SDHC卡。

控制器对SD卡进行读写通信操作一般有两种通信接口可选，一种是SPI接口，另外一种是SDIO接口。 SPI协议驱动SD卡方式相较于SDIO驱动SD卡方式，使用引脚资源少，控制程序相对较为简单，但传输速度不如使用SDIO接口的快。由于CH32V103开发板上SD卡槽与芯片引脚的连接方式为SPI驱动方式，因此本文采用SPI协议驱动SD卡方式。

使用SPI方式驱动SD卡需要用到以下几个寄存器：
①　CID：卡识别号（Card identification number），用来识别卡的唯一的个体号码；
②　CSD：卡的特定数据（Card Specific Data），指卡的操作条件信息；
③　SCR：SD配置寄存器（SD Configuration Register），SD卡特殊性信息；
④　OCR：操作条件寄存器（Operation conditions register）
关于SD卡其他寄存器信息，可参考SD 简易规格文件《 Physical Layer Simplified Specification V2.0》。
关于SD命令格式，固定为48bit，通过命令线（CMD）连续传输，其具体命令格式以及命令解释如下：

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起始位和终止位：命令的主体包含在起始位与终止位之间，它们都只包含一个数据位，起始位为0，终止位为1。
传输标志：用于区分传输方向，该位为1时表示命令，方向为主机传输到SD卡，该位为0时表示响应，方向为SD卡传输到主机。
命令主体内容包括命令、地址信息/参数和 CRC 校验三个部分。
1.命令号：它固定占用6bit，所以总共有64个命令(代号： CMD0~CMD63)，每个命令都有特定的用途，部分命令不适用于SPI总线，或不适用于SD卡操作，只是专门用于MMC卡或者SDI/O卡。
2.地址/参数：每个命令有32bit地址信息/参数用于命令附加内容，例如，广播命令没有地址信息，这32bit用于指定参数，而寻址命令这32bit用于指定目标SD卡的地址，使用SPI总线驱动时，通过片选引脚来选择不同的卡，所以使用这些命令时地址可填充任意值。
3.CRC7校验：长度为7bit的校验位用于验证命令传输内容正确性，如果发生外部干扰导致传输数据个别位状态改变将导致校准失败，也意味着命令传输失败，SD卡不执行命令。使用SPI驱动时，命令中的CRC7校验默认是关闭的，即这CRC7校验位中可以写入任意值而不影响通讯，仅在发送CMD0命令时需要强制带标准的CRC7校验。
SPI模式下有以下几个重要的操作指令：

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SD卡R1响应格式如下：

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关于SD卡具体信息，可参考《 Physical Layer Simplified Specification V2.0》。
2、MRS中开发流程
1）首先新建一个CH32V103C8T6 的工程，这个要与对应芯片对应

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上图最下方红框中是对选中芯片的资源的简单介绍，方便查询

2) 新建完工程之后，我们打开main.c文件，可以看到主函数只是一些初始化和串口打印，我们自己的主函数逻辑可以添加在打印下面就可以了；
3) 新建一个hardware的文件夹，右键工程new->folder,填写文件名，点击finish即可，我们可以以同样的方式在hardware目录下再新建SD目录，SPI目录，条理清晰。
4) 在SPI目录下，New>Source File，填写文件名spi.c，内容是SPI初始化函数以及读写函数，在新建个spi.h文件用来声明函数，这个新的头文件需要添加到头文件寻址路径中，点击菜单栏按钮，在弹出的页面中，如下图，点击绿色加号添加路径即可

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部分代码截图如下，有详细注释，不再赘述

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5) 在 SD目录下新建sd.c ,sd.h,添加头文件路径方式与上条一致，sd.h文件主要包括各种宏定义及函数声明，包括SD卡类型定义、SD卡指令定义等以及函数声明；
sd.c文件主要进行SD初始化等操作，关于SD卡初始化函数SD_Initialize，其具体操作流程如下：
（1）调用SD_SPI_Init函数初始化GPIO口及SPI工作模式，同时控制片选引脚使之输出高电平；
（2）利用for循环并调用SD_SPI_ReadWriteByte函数进行10读写操作，同时产生80个时钟信号，满足SD卡初始化至少需要74个时钟的要求；
（3）调用SD_SendCmd函数发送CMD0命令，复位SD卡同时进入空闲状态；
（4）调用SD_SendCmd函数发送相关命令对SD卡版本类型进行判断，同时返回响应信息。
关于sd.c文件中其他函数，程序中都有相应注释，可结合注释以及《 Physical Layer Simplified Specification V2.0》手册进行理解。

部分代码如下：