SDIO、SD卡和FATFS檔案系統了解

一、SDIO接口協定定義說明

1.1 介紹

SDIO 是基于SD标準開發的一種外設接口，其接口定義主要有時鐘線、指令/響應線和資料線，資料線分為1位、4位和8位，半雙工通信方式，可以與MMC（多媒體卡，Mutiny Media Card ）卡、SD存儲卡和SDIO卡通信。

與SD卡和SD IO卡的通信速率（卡時鐘）可以設定在0-25MHZ，與MMC卡（V4.0以上）的通信速率可以設定在0-48MHZ，（V3.3以下的設定在0-20Mhz）

SDIO_CK：卡時鐘是用來和外部卡進行資料互動的時鐘，SDIO_CK = SDIOCLK/(2+CLKDIV)
CLKDIV：分頻系數
SDIOCLK：資料通道到以及控制單元的時鐘，用來産生卡時鐘
HCLK/2：寄存器和FIFO的時鐘。

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1.2 通信過程

通過指令線去發送指令，同樣通過指令線接收響應，這種類似于IIC通過并轉串然後将資料1bit1bit發出來，先傳輸高位MSB，再傳輸低位LSB

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如果是多位元組傳輸，先傳輸低位元組，後傳輸高位元組，低位元組在低資料總線，高位元組在高資料總線。

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如果是寬位元組傳輸，同樣是高位先傳輸，低位後傳輸，

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如下圖所示，可以看到CMD線通過移位寄存器将串行資料接收回來，同樣之後會進行CRC校驗（硬體），再然後會存入到寄存器中。

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指令傳輸過程：中間會有等待狀态，發送指令時是有控制器驅動，響應的時候是由卡來驅動。

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資料線說明：寄存器可以配置資料總線寬度，如果位寬沒有限制，隻是在SDIO_D0上面有傳輸，其中FIFO緩存空間是128個位元組（32個字，每個字為4位元組），

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SDIO的有響應操作和無響應操作（比如廣播）

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如果是讀操作和寫操作，則需要有資料線去參與。在進行寫操作的時候需要注意判斷卡處于繁忙狀态，不會被寫入資料，最後需要發送停止資料傳輸指令。

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此外也可以進行連續讀和連續寫操作，即流操作，資料末尾沒有CRC校驗碼，隻适用于多媒體卡

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1.3 通信協定

（指令格式：發送，傳輸位為1）

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指令格式：接收（長響應和短響應，傳輸位為0）

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具體的指令舉例說明：見指令表及程式代碼。

二、SD卡/SD IO卡/MMC卡

2.1 SD卡

SD卡類型

标準卡，記憶體在2GB（2^31 bytes）以内，
大容量卡（2GB<X<32GB），由SD卡2.0協定定義，大容量卡有兩種類型，

一種是單狀态卡：一塊大容量區域

一種是雙狀态卡：兩塊區域，一塊是大容量卡區域，一塊是标準容量卡區域。同一時間隻能通路一種區域，可以通過一種機制來選擇對應的容量卡區域

SD卡資訊寄存器定義：

CID：128位，卡識别号，無法修改
RCA：16位，Relative card address，卡相對位址，無法修改，
DSR：16位，驅動階段寄存器，可修改
CSD：128位，卡特定資料，關于卡的操作情況說明，不可修改
SCR：64位，SD配置寄存器，SD卡的容量，不可修改
OCR：32位，運作條件寄存器，不可修改
SSR：512位，SD狀态，SD卡的專用功能說明，不可修改
CSR：32位，卡狀态，關于卡狀态的說明，不可修改

兩種模式：卡識别模式和資料傳輸模式。

卡識别模式

①卡複位：CMD0可以進行軟複位，使得所有卡進入空閑狀态，處于不激活的卡會忽略這條指令

②操作條件驗證：首先會進行電壓驗證，通過CMD8指令，如果可以目前電壓可以與卡進行通信，則存在響應，否則無響應，ACMD41指令用來識别和否決不适應由主機提供的電壓的卡片。ACMD41是應用特定指令，是以在發送其之前需要發送CMD55指令。先發送CMD8，然後再發送ACMD41。

卡識别流程圖

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首先進行CMD0.軟複位是以狀态卡，之後進行CMD8，檢驗電壓範圍是否有效，在發送ACMD41之前，需要發送CMD55，訓示下一條指令是應用指令，不是通用指令。

ACMD41，識别到可以正常進行通信的卡，可以OCR裡設定HCS（Host Capacity Support）即置1，表明主機（Host）支援大容量SD卡，響應裡面會帶有CCS位，表明卡狀态，1代表是大容量卡。如果CMD8指令無響應，則說明不支援大容量SD卡，ACMD41中OCR busy位置1表明初始化完成，置0表明還處于初始化中。

主機初始化完成後，執行CMD2指令，擷取CID碼（unique card identification），通過CMD指令線傳回，不是資料線。

之後再發送CMD3，詢問RCA（Relative card address）相對卡位址，在傳輸模式中使用，之後進入旁路狀态。

以STM32F1代碼為例，來講解 SD卡的初始化及讀寫流程。

代碼實作：初始化時鐘

/*初始化時的時鐘不能大于400KHz*/ 
  SDIO_InitStructure.SDIO_ClockDiv = SDIO_INIT_CLK_DIV;	/* HCLK = 72MHz, SDIOCLK = 72MHz, SDIO_CK = HCLK/(178 + 2) = 400 KHz */
  SDIO_InitStructure.SDIO_ClockEdge = SDIO_ClockEdge_Rising;
  SDIO_InitStructure.SDIO_ClockBypass = SDIO_ClockBypass_Disable;  //不使用bypass模式，直接用HCLK進行分頻得到SDIO_CK
  SDIO_InitStructure.SDIO_ClockPowerSave = SDIO_ClockPowerSave_Disable;	// 空閑時不關閉時鐘電源
  SDIO_InitStructure.SDIO_BusWide = SDIO_BusWide_1b;	 				//1位資料線
  SDIO_InitStructure.SDIO_HardwareFlowControl = SDIO_HardwareFlowControl_Disable;//硬體流
  SDIO_Init(&SDIO_InitStructure);
  SDIO_SetPowerState(SDIO_PowerState_ON);	//上電狀态,開啟卡時鐘
  SDIO_ClockCmd(ENABLE);//SDIOCK使能

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發送CMD0，進入空閑狀态，循環發送，如果發送成功，則退出循環，cmderror判斷發送是否成功，寄存器初始化為0。

for(i=0;i<74;i++)
{
	SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = 0x0;//發送CMD0進入IDLE STAGE模式指令.
    SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_GO_IDLE_STATE; //cmd0
    SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_No;  //無響應
    SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
    SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;  //則CPSM在開始發送指令之前等待資料傳輸結束。 
    SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);	  		//寫指令進指令寄存器
		
		errorstatus=CmdError();    //判斷是否發送成功
		if(errorstatus==SD_OK)break;
 }
 if(errorstatus)return errorstatus;//傳回錯誤狀态

SD_Error CmdError(void)
{
	SD_Error errorstatus = SD_OK;
	u32 timeout=SDIO_CMD0TIMEOUT;	   
	while(timeout--)
	{
	  if(SDIO_GetFlagStatus(SDIO_FLAG_CMDSENT) != RESET)break;	//指令已發送(無需響應)	 
	}	    
	if(timeout==0)return SD_CMD_RSP_TIMEOUT;  
	SDIO_ClearFlag(SDIO_STATIC_FLAGS);//清除所有标記
	return errorstatus;
}

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CMD寄存器變為400，代表指令0，不需要響應。1000 0000

之後發送CMD8，檢查SD卡接口電壓，

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = SD_CHECK_PATTERN;	//發送CMD8,短響應,檢查SD卡接口特性
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SDIO_SEND_IF_COND;	//cmd8
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;	 //r7
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;			 //關閉等待中斷
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);

errorstatus=CmdResp7Error();						//等待R7響應
if(errorstatus==SD_OK) 								//R7響應正常
{
    CardType=SDIO_STD_CAPACITY_SD_CARD_V2_0;		//SD 2.0卡
    SDType=SD_HIGH_CAPACITY;			   			//高容量卡
}

SD_Error CmdResp7Error(void)
{
	SD_Error errorstatus=SD_OK;
	u32 status;
	u32 timeout=SDIO_CMD0TIMEOUT;
 	while(timeout--)
	{
		status=SDIO->STA;
		if(status&((1<<0)|(1<<2)|(1<<6)))break;//CRC錯誤/指令響應逾時/已經收到響應(CRC校驗成功)	
	}
 	if((timeout==0)||(status&(1<<2)))	//響應逾時
	{																				    
		errorstatus=SD_CMD_RSP_TIMEOUT;	//目前卡不是2.0相容卡,或者不支援設定的電壓範圍
		SDIO_ClearFlag(SDIO_FLAG_CTIMEOUT); 			//清除指令響應逾時标志
		return errorstatus;
	}	 
	if(status&1<<6)						//成功接收到響應
	{								   
		errorstatus=SD_OK;
		SDIO_ClearFlag(SDIO_FLAG_CMDREND); 				//清除響應标志
 	}
	return errorstatus;
}

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CMD寄存器變為448,10001001000，前六位代表指令8,01代表短響應，100代表使能CPSM狀态機，進入空閑狀态，響應時R7響應，收到響應，代表支援該電壓範圍，如果逾時，則不是2.0卡或者不支援電壓範圍。ARG寄存器為發送的參數，1AA 代表檢查。。。？

第6位為1，則代表接收響應成功，其他則代表失敗

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之後發送CMD55，代表下一條指令是應用指令。

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = 0x00;//發送CMD55,短響應	
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_APP_CMD;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);		//發送CMD55,短響應	 

errorstatus=CmdResp1Error(SD_CMD_APP_CMD); 		 	//等待R1響應

errorstatus=CmdResp1Error(SD_CMD_APP_CMD); 	 	//等待R1響應   
if(errorstatus!=SD_OK)return errorstatus;   	//響應錯誤

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CMD寄存器變為477，10001 110111，前6位為55,01則為短響應，100使能CPSM狀态機

接下來發送ACMD41指令，判斷SD卡是否為大容量卡，不支援CMD55指令的卡為MMC卡，469,100 01 101001 41指令，短響應

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SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = SD_VOLTAGE_WINDOW_SD | SDType;	//發送ACMD41,短響應	
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_SD_APP_OP_COND;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;  //r3
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);

errorstatus=CmdResp3Error(); 					//等待R3響應

response=SDIO->RESP1;;			   				//得到響應

if(response&=SD_HIGH_CAPACITY)     //SD_HIGH_CAPCITY = 0x400 0000
{
    CardType=SDIO_HIGH_CAPACITY_SD_CARD;  //支援大容量卡
}

OCR寄存器各位定義，倒數第二位是容量卡定義。

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再之後是CMD2和CMD3指令,CMD2擷取SD卡資訊，4C2 100 11 000010 指令碼為2,11為長響應。

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SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = 0x0;//發送CMD2,取得CID,長響應
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_ALL_SEND_CID;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Long;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);//發送CMD2,取得CID,長響應	  128位

errorstatus=CmdResp2Error(); 					//等待R2響應   
if(errorstatus!=SD_OK)return errorstatus;   	//響應錯誤		    
CID_Tab[0]=SDIO->RESP1;
CID_Tab[1]=SDIO->RESP2;
CID_Tab[2]=SDIO->RESP3;
CID_Tab[3]=SDIO->RESP4;

CID寄存器定義，Manufacture ID = 0x27 = 39.

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資料傳輸模式：

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通過CMD9可以擷取CSD寄存器資料，比如塊長度，塊存儲容量等。CMD4指令可以配置總線布局以及卡的數量，之後時鐘頻率從初始化頻率的不大于400K，調節到10-25M這個資料傳輸頻段。

RCA = rca;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = (uint32_t)(rca << 16);//發送CMD9+卡RCA,取得CSD,長響應 
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_SEND_CSD;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Long;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);

errorstatus=CmdResp2Error(); 					//等待R2響應   
if(errorstatus!=SD_OK)return errorstatus;   	//響應錯誤		    
CSD_Tab[0]=SDIO->RESP1;
CSD_Tab[1]=SDIO->RESP2;
CSD_Tab[2]=SDIO->RESP3;						
CSD_Tab[3]=SDIO->RESP4;

CMD7指令可以配置卡進入傳輸資料狀态，但是同時隻有一個卡進入傳輸資料狀态，同時發送預設位址0x00，也可以使得卡退出傳輸狀态，重新進入旁路狀态。位址由RCA決定，因為在高16位，是以讀取的RCA位址需要左移16位，才可以選中該卡通過RCA來區分各個卡的位址。

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument =  addr;//發送CMD7,選擇卡,短響應	
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_SEL_DESEL_CARD;//cmd7
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);//發送CMD7,選擇卡,短響應

return CmdResp1Error(SD_CMD_SEL_DESEL_CARD);

讀寫之前的一些操作指令：CMD16設定讀寫塊的大小，一次讀多少個位元組，CMD32，CMD33，擦除開始和擦除結束指令，ACMD6，設定總線資料寬度，（1bit 4bit 8bit），ACMD23，設定即将擦除塊的大小等，ACMD42設定或者清除50K歐姆的上拉電阻。

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument =  blksize;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_SET_BLOCKLEN;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);//發送CMD16+設定資料長度為blksize,短響應

errorstatus=CmdResp1Error(SD_CMD_SET_BLOCKLEN);	//等待R1響應

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = (u32)RCA<<16;//發送CMD13,查詢卡的狀态,短響應 	
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_SEND_STATUS;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);	

errorstatus=CmdResp1Error(SD_CMD_SEND_STATUS);		//等待R1響應

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument =nblks;		//發送CMD23,設定塊數量,短響應 	 
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_SET_BLOCK_COUNT;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);

errorstatus=CmdResp1Error(SD_CMD_SET_BLOCK_COUNT);//等待R1響應

寫資料塊：CMD24（單塊寫入）：寫入一個塊的大小，在标準容量卡有效，大容量卡，固定512位元組。CMD25（多塊寫入）：直到CMD12 停止寫入指令。

CMD42：上鎖或者解鎖，設定密碼或者複位密碼。CMD56：主機設定讀卡或者寫卡。

CMD254單塊寫入

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = addr;//發送CMD24,寫單塊指令,短響應 	
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_WRITE_SINGLE_BLOCK;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);	

errorstatus=CmdResp1Error(SD_CMD_WRITE_SINGLE_BLOCK);//等待R1響應 

StopCondition=0;									//單塊寫,不需要發送停止傳輸指令 

SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataBlockSize= power<<4; ;	//blksize, 控制器到卡	
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataLength= blksize ;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataTimeOut=SD_DATATIMEOUT ;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DPSM=SDIO_DPSM_Enable;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_TransferDir=SDIO_TransferDir_ToCard;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_TransferMode=SDIO_TransferMode_Block;
SDIO_DataConfig(&SDIO_DataInitStructure);

CMD25 多塊寫入

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument =addr;	//發送CMD25,多塊寫指令,短響應 	  
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_WRITE_MULT_BLOCK;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);	

errorstatus=CmdResp1Error(SD_CMD_WRITE_MULT_BLOCK);	//等待R1響應   		   

if(errorstatus!=SD_OK)return errorstatus;

SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataBlockSize= power<<4; ;	//blksize, 控制器到卡	
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataLength= nblks*blksize ;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataTimeOut=SD_DATATIMEOUT ;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DPSM=SDIO_DPSM_Enable;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_TransferDir=SDIO_TransferDir_ToCard;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_TransferMode=SDIO_TransferMode_Block;
SDIO_DataConfig(&SDIO_DataInitStructure);

CMD12 停止寫入。

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument =0;//發送CMD12+結束傳輸 	  
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_STOP_TRANSMISSION;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);	

errorstatus=CmdResp1Error(SD_CMD_STOP_TRANSMISSION);//等待R1響應   
if(errorstatus!=SD_OK)return errorstatus;

讀資料塊：CMD17讀單個塊，CMD18讀多個塊，CMD30，寫保護，大容量卡不支援改指令。ACMD13：發送卡狀态，ACMD:22：發送寫入塊的數量，ACMD51：讀取SCR寄存器内容。

SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataBlockSize= power<<4 ;//配置讀取的資料個數
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataLength= blksize ;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DataTimeOut=SD_DATATIMEOUT ;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_DPSM=SDIO_DPSM_Enable;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_TransferDir=SDIO_TransferDir_ToSDIO;
SDIO_DataInitStructure.SDIO_TransferMode=SDIO_TransferMode_Block;
SDIO_DataConfig(&SDIO_DataInitStructure);

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument =  addr;   //參數
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CmdIndex = SD_CMD_READ_SINGLE_BLOCK;  //指令碼
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Response = SDIO_Response_Short;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Wait = SDIO_Wait_No;
SDIO_CmdInitStructure.SDIO_CPSM = SDIO_CPSM_Enable;
SDIO_SendCommand(&SDIO_CmdInitStructure);//發送CMD17+從addr位址出讀取資料,短響應

各指令定義表。

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2.2 SD I/O卡

SDIO卡就是支援SDIO接口的卡，其卡的功能多種多樣，比如支援WIFI或者BlueTooth等，SDIO卡和SD存儲卡是相容的，在機械、電氣指令和軟體上面，SDIO卡對于移動電子裝置，提供了一個高速度的資料傳輸，可以作為SIOD裝置被識别。

SDIO卡分為兩種：高速和低速。

高速：支援SPI模式和SDIO（1bit、4bit（必須））0-25MHZ
低速：支援SPI模式和SDIO（1bit、4bit（可選）） 0-400KHZ

SD卡以及SDIO卡不同的指令，因為對于SDIO卡來說，SD卡的有些指令沒用，比如擦除指令等。

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2.3 MMC卡（多媒體卡）

再續

三、FATFS檔案系統

再續

SDIO、SD卡和FATFS檔案系統了解

一、SDIO接口協定定義說明

1.1 介紹

1.2 通信過程

1.3 通信協定

二、SD卡/SD IO卡/MMC卡

2.1 SD卡

SD卡類型

SD卡資訊寄存器定義：

兩種模式：卡識别模式和資料傳輸模式。

各指令定義表。

2.2 SD I/O卡

2.3 MMC卡（多媒體卡）

三、FATFS檔案系統

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