1)實驗平台：正點原子STM32mini開發闆
2)摘自《正點原子STM32 不完全手冊(HAL 庫版)》關注官方微信号公衆号，擷取更多資料：正點原子
第三十三章 SD 卡實驗
很多單片機系統都需要大容量儲存設備，以存儲資料。目前常用的有 U 盤，FLASH 晶片，
SD 卡等。他們各有優點，綜合比較，最适合單片機系統的莫過于 SD 卡了，它不僅容量可以做
到很大(32Gb 以上)，而且支援 SPI 接口，友善移動，并且有幾種體積的尺寸可供選擇(标準
的 SD 卡尺寸，以及 TF 卡尺寸等)，能滿足不同應用的要求。
隻需要 4 個 IO 口即可外擴一個最大達 32GB 以上的外部存儲器，容量從幾十 M 到幾十 G
選擇尺度很大，更換也很友善，程式設計也簡單，是單片機大容量外部存儲器的首選。
ALIENTKE MiniSTM32 開發闆自帶了标準的 SD 卡接口(在背面)，可使用 STM32 自帶的
SPI 接口驅動，本章我們使用 SPI 驅動，最高通信速度可達 18Mbps，每秒可傳輸資料 2M 位元組
以上，對于一般應用足夠了。在本章中，我們将向大家介紹，如何在 ALIENTEK MiniSTM32
開發闆上實作 SD 卡的讀取。本章分為如下幾個部分：
33.1 SD 卡簡介
33.2 硬體設計
33.3 軟體設計
33.4 下載下傳驗證
33.1 SD 卡簡介
SD 卡(Secure Digital Memory Card)中文翻譯為安全數位卡，它是在 MMC 的基礎上發
展而來，是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶裝置，它被廣泛地于便攜式裝置上使用，
例如數位相機、個人數位助理(PDA)和多媒體播放器等。SD 卡由日本松下、東芝及美國 SanDisk
公司于 1999 年 8 月共同開發研制。大小猶如一張郵票的 SD 記憶卡，重量隻有 2 克，但卻擁
有高記憶容量、快速資料傳輸率、極大的移動靈活性以及很好的安全性。按容量分類，可以将
SD 卡分為 3 類：SD 卡、SDHC 卡、SDXC 卡。如表 33.1.1 所示：
表 33.1.1 SD 卡按容量分類
SD 卡和 SDHC 卡協定基本相容，但是 SDXC 卡，同這兩者差別就比較大了，本章我們讨
論的主要是 SD/SDHC 卡(簡稱 SD 卡)。
SD 卡一般支援 2 種操作模式：
1，SD 卡模式(通過 SDIO 通信)；
2，SPI 模式；
主機可以選擇以上任意一種模式同 SD 卡通信，SD 卡模式允許 4 線的高速資料傳輸。SPI
模式允許簡單的通過 SPI 接口來和 SD 卡通信，這種模式同 SD 卡模式相比就是喪失了速度。
SD 卡的引腳排序如下圖 33.1.1 所示：
圖 33.1.1 SD 卡引腳排序圖
SD 卡引腳功能描述如表 33.1.2 所示：
表 33.1.2 SD 卡引腳功能表
SD 卡隻能使用 3.3V 的 IO 電平，是以，MCU 一定要能夠支援 3.3V 的 IO 端口輸出。注意：
在 SPI 模式下，CS/MOSI/MISO/CLK 都需要加 10~100K 左右的上拉電阻。
SD 卡有 5 個寄存器，如表 33.1.3 所示：
表 33.1.3 SD 卡相關寄存器
關于這些寄存器的較長的描述，請參考CD光牒相關 SD 卡資料。我們在這裡就不描述了。接下
來，我們看看 SD 卡的指令格式，如表 33.1.4 所示：
表 33.1.4 SD 卡指令格式
SD 卡的指令由 6 個位元組組成，位元組 1 的最高 2 位固定為 01，低 6 位為指令号(比如 CMD16，
為 10000B 即 16 進制的 0X10，完整的 CMD16，第一個位元組為 01010000，即 0X10+0X40)。
位元組 2~5 為指令參數，有些指令是沒有參數的。
位元組 6 的高七位為 CRC 值，最低位恒定為 1。
SD 卡的指令總共有 12 類，分為 Class0~Class11，本章，我們僅介紹幾個比較重要的指令，
如表 33.1.5 所示：
表 33.1.5 SD 卡部分指令
上表中，大部分的指令是初始化的時候用的。表中的 R1、R3 和 R7 等是 SD 卡的回應，SD
卡和單片機的通信采用發送應答機制，如圖 33.1.2 所示：
圖 33.1.2 SD 卡指令傳輸過程
每發送一個指令，SD 卡都會給出一個應答，以告知主機該指令的執行情況，或者傳回主
機需要擷取的資料。SPI 模式下，SD 卡針對不同的指令，應答可以是 R1~R7，R1 的應答，各位描述如表 33.1.6 所示：
表 33.1.6 R1 響應各位描述
R2~R7 的響應，我們就不介紹了，請的大家參考 SD 卡 2.0 協定。接下來，我們看看 SD 卡
初始化過程。因為我們使用的是 SPI 模式，是以先得讓 SD 卡進入 SPI 模式。方法如下：在 SD
卡收到複位指令(CMD0)時，CS 為有效電平(低電平)則 SPI 模式被啟用。不過在發送 CMD0
之前，要發送>74 個時鐘，這是因為 SD 卡内部有個供電電壓上升時間，大概為 64 個 CLK，剩
下的 10 個 CLK 用于 SD 卡同步，之後才能開始 CMD0 的操作，在卡初始化的時候，CLK 時鐘
最大不能超過 400Khz！。
接着我們看看 SD 卡的初始化，SD 卡的典型初始化過程如下：
1、初始化與 SD 卡連接配接的硬體條件(MCU 的 SPI 配置，IO 口配置)；
2、上電延時(>74 個 CLK)；
3、複位卡(CMD0)，進入 IDLE 狀态；
4、發送 CMD8，檢查是否支援 2.0 協定；
5、根據不同協定檢查 SD 卡(指令包括：CMD55、CMD41、CMD58 和 CMD1 等)；
6、取消片選，發多 8 個 CLK，結束初始化
這樣我們就完成了對 SD 卡的初始化，注意末尾發送的 8 個 CLK 是提供 SD 卡額外的時鐘，
完成某些操作。通過 SD 卡初始化，我們可以知道 SD 卡的類型(V1、V2、V2HC 或者 MMC)，
在完成了初始化之後，就可以開始讀寫資料了。
SD 卡讀取資料，這裡通過 CMD17 來實作，具體過程如下：
1、發送 CMD17；
2、接收卡響應 R1；
3、接收資料起始令牌 0XFE；
4、接收資料；
5、接收 2 個位元組的 CRC，如果不使用 CRC，這兩個位元組在讀取後可以丢掉。
6、禁止片選之後，發多 8 個 CLK；
以上就是一個典型的讀取 SD 卡資料過程，SD 卡的寫于讀資料差不多，寫資料通過 CMD24
來實作，具體過程如下：
1、發送 CMD24;
2、接收卡響應 R1；
3、發送寫資料起始令牌 0XFE；
4、發送資料；
5、發送 2 位元組的僞 CRC；
6、禁止片選之後，發多 8 個 CLK；
以上就是一個典型的寫 SD 卡過程。關于 SD 卡的介紹，我們就介紹到這裡，更詳細的介
紹請參考CD光牒資料→ 7，硬體資料→SD 卡資料→ SD 卡 V2.0 協定。
33.2 硬體設計
本章實驗功能簡介：開機的時候先初始化 SD 卡，如果 SD 卡初始化完成，則提示 LCD 初
始化成功。按下 KEY0，讀取 SD 卡扇區 0 的資料，然後通過序列槽發送到電腦。如果沒初始化
通過，則在 LCD 上提示初始化失敗。 同樣用 DS0 來訓示程式正在運作。
本實驗用到的硬體資源有：
1) 訓示燈 DS0
2) KEY0 按鍵
3) 序列槽
4) TFTLCD 子產品
5) SD 卡
前面四部分，在之前的執行個體已經介紹過了，這裡我們介紹一下 MiniSTM32 開發闆闆載的
SD 卡接口和 STM32 的連接配接關系，如圖 33.2.1 所示：
圖33.2.1 SD卡接口與STM32連接配接原理圖
從圖中可以看出，SD卡通過4根信号線與STM32連接配接，SD卡的片選(SD_CS)連接配接PA3，
SD卡的SPI接口，連接配接在STM32的SPI1上面，硬體連接配接就這麼簡單，這裡要注意的是SPI1被3
個外設共用了：SD卡、W25Q64和NRF24L01，在使用SD卡的時候，必須禁止其他外設的片
選，以防幹擾。
33.3 軟體設計
打開上一章的工程，由于本章還需要用到SPI功能，是以，先添加spi.c。然後，在HARDWARE
檔案夾下建立一個 SD 的檔案夾。然後建立一個 MMC_SD.C 和 MMC_SD.H 的檔案儲存在 SD
檔案夾下，并将這個檔案夾加入頭檔案包含路徑。
打開 MMC_SD.C 檔案，在該檔案裡面，我們輸入與 SD 卡相關的操作代碼，這裡由于篇
幅限制，我們不貼出所有代碼，僅介紹兩個最重要的函數，第一個是 SD_Initialize 函數，該函
數源碼如下：
//初始化 SD 卡
u8 SD_Init(void)
{
u8 r1;
// 存放 SD 卡的傳回值
u16 retry;
// 用來進行逾時計數
u8 buf[4];
u16 i;
SD_SPI_Init();
//初始化 IO
SD_SPI_SpeedLow(); //設定到低速模式
for(i=0;i<10;i++)SD_SPI_ReadWriteByte(0XFF);//發送最少 74 個脈沖
retry=20;
do
{
r1=SD_SendCmd(CMD0,0,0x95);//進入 IDLE 狀态
}while((r1!=0X01) && retry--);
SD_Type=0;//預設無卡
if(r1==0X01)
{
if(SD_SendCmd(CMD8,0x1AA,0x87)==1)//SD V2.0
{
for(i=0;i<4;i++)buf[i]=SD_SPI_ReadWriteByte(0XFF);
//Get trailing return value of R7 resp
if(buf[2]==0X01&&buf[3]==0XAA)//卡是否支援 2.7~3.6V
{
retry=0XFFFE;
do
{
SD_SendCmd(CMD55,0,0X01); //發送 CMD55
r1=SD_SendCmd(CMD41,0x40000000,0X01);//發送 CMD41
}while(r1&&retry--);
if(retry&&SD_SendCmd(CMD58,0,0X01)==0)//鑒别 SD2.0 卡版本開始
{
for(i=0;i<4;i++)buf[i]=SD_SPI_ReadWriteByte(0XFF);//得到 OCR 值
if(buf[0]&0x40)SD_Type=SD_TYPE_V2HC; //檢查 CCS
else SD_Type=SD_TYPE_V2;
}
}
}else//SD V1.x/ MMC V3
{
SD_SendCmd(CMD55,0,0X01);
//發送 CMD55
r1=SD_SendCmd(CMD41,0,0X01);
//發送 CMD41
if(r1<=1)
{
SD_Type=SD_TYPE_V1;
retry=0XFFFE;
do //等待退出 IDLE 模式
{
SD_SendCmd(CMD55,0,0X01); //發送 CMD55
r1=SD_SendCmd(CMD41,0,0X01);//發送 CMD41
}while(r1&&retry--);
}else//MMC 卡不支援 CMD55+CMD41 識别
{
SD_Type=SD_TYPE_MMC;//MMC V3
retry=0XFFFE;
do //等待退出 IDLE 模式
{
r1=SD_SendCmd(CMD1,0,0X01);//發送 CMD1
}while(r1&&retry--);
}
if(retry==0||SD_SendCmd(CMD16,512,0X01)!=0)SD_Type=SD_TYPE_ERR;
//錯誤的卡
}
}
SD_DisSelect();//取消片選
SD_SPI_SpeedHigh();//高速
if(SD_Type)return 0;
else if(r1)return r1;
return 0xaa;//其他錯誤
}
該函數先設定與 SD 相關的 IO 口及 SPI 初始化，然後發送 CMD0，進入 IDLE 狀态，并設定
SD 卡為 SPI 模式通信，然後判斷 SD 卡類型，完成 SD 卡的初始化，注意該函數調用的 SD_SPI_Init
等函數，實際是對 SPI1 的相關函數進行了一層封裝，友善移植。另外一個要介紹的函數是
SD_ReadDisk，該函數用于從 SD 卡讀取一個扇區的資料(這裡一般為 512 位元組)，該函數代碼如
下：
//讀 SD 卡
//buf:資料緩存區
//sector:扇區
//cnt:扇區數
//傳回值:0,ok;其他,失敗.
u8 SD_ReadDisk(u8*buf,u32 sector,u8 cnt)
{
u8 r1;
if(SD_Type!=SD_TYPE_V2HC)sector <<= 9;//轉換為位元組位址
if(cnt==1)
{
r1=SD_SendCmd(CMD17,sector,0X01);//讀指令
if(r1==0) r1=SD_RecvData(buf,512);//指令發送成功，接收 512 個位元組
}else
{
r1=SD_SendCmd(CMD18,sector,0X01);//連續讀指令
do
{
r1=SD_RecvData(buf,512); //接收 512 個位元組
buf+=512;
}while(--cnt && r1==0);
SD_SendCmd(CMD12,0,0X01); //發送停止指令
}
SD_DisSelect();//取消片選
return r1;
}
此函數根據要讀取扇區的多少，發送 CMD17/CMD18 指令，然後讀取一個/多個扇區的資料，
詳細見代碼，這裡我們就不多介紹了。儲存 MMC_SD.C 檔案，并加入到 HARDWARE 組下，
然後打開 MMC_SD.H，在該檔案裡面輸入如下代碼：
#ifndef _MMC_SD_H_
#define _MMC_SD_H_
#include "sys.h"
#include
// SD 卡類型定義
#define SD_TYPE_ERR 0X00
#define SD_TYPE_MMC
0X01
#define SD_TYPE_V1 0X02
#define SD_TYPE_V2 0X04
#define SD_TYPE_V2HC 0X06
// SD 卡指令表
#define CMD0 0 //卡複位
#define CMD1 1
#define CMD8 8 //指令 8 ，SEND_IF_COND
#define CMD9 9 //指令 9 ，讀 CSD 資料
#define CMD10 10 //指令 10，讀 CID 資料
#define CMD12 12 //指令 12，停止資料傳輸
#define CMD16 16 //指令 16，設定 SectorSize 應傳回 0x00
#define CMD17 17 //指令 17，讀 sector
#define CMD18 18 //指令 18，讀 Multi sector
#define CMD23 23 //指令 23，設定多 sector 寫入前預先擦除 N 個 block
#define CMD24 24 //指令 24，寫 sector
#define CMD25 25 //指令 25，寫 Multi sector
#define CMD41 41 //指令 41，應傳回 0x00
#define CMD55 55 //指令 55，應傳回 0x01
#define CMD58 58 //指令 58，讀 OCR 資訊
#define CMD59 59 //指令 59，使能/禁止 CRC，應傳回 0x00
//資料寫入回應字意義
#define MSD_DATA_OK
0x05
#define MSD_DATA_CRC_ERROR 0x0B
#define MSD_DATA_WRITE_ERROR 0x0D
#define MSD_DATA_OTHER_ERROR 0xFF
//SD 卡回應标記字
#define MSD_RESPONSE_NO_ERROR 0x00
#define MSD_IN_IDLE_STATE
0x01
#define MSD_ERASE_RESET
0x02
#define MSD_ILLEGAL_COMMAND 0x04
#define MSD_COM_CRC_ERROR 0x08
#define MSD_ERASE_SEQUENCE_ERROR 0x10
#define MSD_ADDRESS_ERROR 0x20
#define MSD_PARAMETER_ERROR 0x40
#define MSD_RESPONSE_FAILURE 0xFF
//這部分應根據具體的連線來修改!
//MiniSTM32 開發闆使用的是 PA3 作為 SD 卡的 CS 腳.
#define SD_CS PAout(3)
//SD 卡片選引腳
u8 SD_SPI_ReadWriteByte(u8 data);
void SD_SPI_SpeedLow(void);
void SD_SPI_SpeedHigh(void);
u8 SD_WaitReady(void);
//等待 SD 卡準備
u8 SD_GetResponse(u8 Response);
//獲得相應
u8 SD_Initialize(void);
//初始化
u8 SD_ReadDisk(u8*buf,u32 sector,u8 cnt);
//讀塊
u8 SD_WriteDisk(u8*buf,u32 sector,u8 cnt);
//寫塊
u32 SD_GetSectorCount(void);
//讀扇區數
u8 SD_GetCID(u8 *cid_data); //讀 SD 卡 CID
u8 SD_GetCSD(u8 *csd_data); //讀 SD 卡 CSD
#endif
該部分代碼主要是一些指令的宏定義以及函數聲明，在這裡我們設定了 SD 卡的 CS 管腳為
PA3。儲存 MMC_SD.H，就可以在主函數裡面編寫我們的應用代碼了，打開 main.c，輸入如下代
碼：
//讀取 SD 卡的指定扇區的内容，并通過序列槽 1 輸出
//sec：扇區實體位址編号
void SD_Read_Sectorx(u32 sec)
{
u8 *buf;
u16 i;
buf=mymalloc(512);
//申請記憶體
if(SD_ReadDisk(buf,sec,1)==0) //讀取 0 扇區的内容
{
LCD_ShowString(60,190,200,16,16,"USART1 Sending Data...");
printf("SECTOR 0 DATA:");
for(i=0;i<512;i++)printf("%x ",buf[i]);//列印 sec 扇區資料
printf("DATA ENDED");
LCD_ShowString(60,190,200,16,16,"USART1 Send Data Over!");
}
myfree(buf);//釋放記憶體
}
int main(void)
{
u8 key; u8 t=0;
u32 sd_size;
HAL_Init();
//初始化 HAL 庫
Stm32_Clock_Init(RCC_PLL_MUL9); //設定時鐘,72M
delay_init(72);
//初始化延時函數
uart_init(115200);
//初始化序列槽
LED_Init();
//初始化 LED
KEY_Init();
//初始化按鍵
LCD_Init();
//初始化 LCD
mem_init();
//初始化記憶體池
POINT_COLOR=RED;
//設定字型為紅色
LCD_ShowString(60,50,200,16,16,"Mini STM32");
LCD_ShowString(60,70,200,16,16,"SD CARD TEST");
LCD_ShowString(60,90,200,16,16,"[email protected]");
LCD_ShowString(60,110,200,16,16,"2019/11/16");
LCD_ShowString(60,130,200,16,16,"KEY0:Read Sector 0");
while(SD_Initialize())//檢測不到 SD 卡
{
LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"SD Card Error!"); delay_ms(500);
LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"Please Check! "); delay_ms(500);
LED0=!LED0;//DS0 閃爍
}
POINT_COLOR=BLUE;//設定字型為藍色
//檢測 SD 卡成功
LCD_ShowString(60,150,200,16,16,"SD Card OK ");
LCD_ShowString(60,170,200,16,16,"SD Card Size: MB");
sd_size=SD_GetSectorCount();//得到扇區數
LCD_ShowNum(164,170,sd_size>>11,5,16);//顯示 SD 卡容量
while(1)
{
key=KEY_Scan(0);
if(key==KEY0_PRES)SD_Read_Sectorx(0);//KEY0 按,讀取 SD 卡扇區 0 的内容
delay_ms(10);t++;
if(t==20) { LED0=!LED0; t=0; }
}
}
這裡總共 2 個函數，其中 SD_Read_Sectorx 用于讀取 SD 卡指定扇區的資料，并将讀到的
資料通過序列槽 1 輸出。然後 main 函數則通過 SD_GetSectorCount 函數來得到 SD 卡的扇區數，
間接得到 SD 卡容量，然後在液晶上顯示出來，接着我們通過按鍵 KEY0 控制讀取 SD 卡的扇區 0，
然後把讀到的資料通過序列槽列印出來。另外，我們對上一章學過的記憶體管理小試牛刀，稍微用
了下，以後我們會盡量使用記憶體管理來設計。
最後，我們将 SD_Read_Sectorx 函數加入 USMART 控制，這樣，我們就可以通過序列槽調
試助手，讀取 SD 卡任意一個扇區的資料，友善大家測試。
33.4 下載下傳驗證
在代碼編譯成功之後，我們通過下載下傳代碼到 ALIENTEK MiniSTM32 開發闆上，可以看到
LCD 顯示如圖 33.4.1 所示的内容(預設 SD 卡已經接上了)：
圖 33.4.1 程式運作效果圖
打開序列槽調試助手，按下 KEY0 就可以看到從開發闆發回來的資料了，如圖 33.4.2 所示：
圖 33.4.2 序列槽收到的 SD 卡扇區 0 内容
這裡請大家注意，不同的 SD 卡，讀出來的扇區 0 是不盡相同的，是以不要因為你讀出來
的資料和圖 33.4.2 不同而感到驚訝。