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STM32F103对SD卡数的读写

2023-05-16

文章目录

  • 一、SD卡协议
    • 1.SD卡介绍
    • 2.SD卡物理结构
    • 2.SD卡寄存器
    • 3.SD总线协议
    • 4.SD卡的操作模式及切换
    • 5.SD卡初始化（SPI模式）
    • 6.SD卡读取与写入(SPI模式)
  • 二、题目要求
  • 三、STM32CubeMX建立工程
  • 四、修改文件内容
  • 五、连接验证
  • 六、总结
  • 七、参考资料

一、SD卡协议

1.SD卡介绍

SD存储卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，由于它体积小、数据传输速度快、可热插拔等优良的特性，被广泛地于便携式装置上使用，例如数码相机、平板电脑和多媒体播放器等。
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。
SD卡的结构能保证数字文件传送的安全性，也很容易重新格式化，所以有着广泛的应用领域。音乐、电影等多媒体文件都可以方便地保存到SD卡中。目前市场上SD卡的品牌很多诸如:SANDISK、Kingmax、Panasonic和Kingston。
SD卡作为一种新型的存储设备，具有以下特点:
●高存储容量，最常用的容量：8GB、16GB、32GB、128GB、256GB等。
●内置加密技术，适应基于SDMI协议的著作版权保护功能。
●高速数据传送；最大读写速率为100MB/s。
●体积轻小，便于携带，具有很强的抗冲击能力。

2.SD卡物理结构

一张SD卡包括有存储单元、存储单元接口、电源检测、卡及接口控制器和接口驱动器5个部分，见图 362。存储单元是存储数据部件，存储单元通过存储单元接口与卡控制单元进行数据传输；电源检测单元保证SD卡工作在合适的电压下，如出现掉电或上状态时，它会使控制单元和存储单元接口复位；卡及接口控制单元控制SD卡的运行状态，它包括有8个寄存器；接口驱动器控制SD卡引脚的输入输出。
在这里插入图片描述

2.SD卡寄存器

SD卡总共有8个寄存器，用于设定或表示SD卡信息，参考表格。这些寄存器只能通过对应的命令访问，对SD卡进行控制操作并不是像操作控制器GPIO相关寄存器那样一次读写一个寄存器的，它是通过命令来控制，SDIO定义了64个命令，每个命令都有特殊意义，可以实现某一特定功能，SD卡接收到命令后，根据命令要求对SD卡内部寄存器进行修改，程序控制中只需要发送组合命令就可以实现SD卡的控制以及读写操作。

名称bit宽度描述
CID128卡识别号(Card identification number)：用来识别的卡的个体号码（唯一的）
RCA16相对地址(Relative card address)：卡的本地系统地址，初始化时，动态地由卡建议，主机核准
DSR16驱动级寄存器(Driver Stage Register)：配置卡的输出驱动
CSD128卡的特定数据(Card Specific Data)：卡的操作条件信息
SCR64SD配置寄存器(CD Configuration Register)：SD卡特殊特性信息
OCR32操作条件寄存器(Operation conditiongs register)
SSR512SD状态(SD Status)：SD卡专有特征的信息
CSR32卡状态(Card Status)：卡状态信息

3.SD总线协议

SD总线通信是基于命令和数据传输的。通讯由一个起始位(“0”)，由一个停止位(“1”)终止。SD通信一般是主机发送一个命令(Command)，从设备在接收到命令后作出响应(Response)，如有需要会有数据(Data)传输参与。
在这里插入图片描述

SD数据是以块(Black)形式传输的，SDHC卡数据块长度一般为512字节，数据可以从主机到卡，也可以是从卡到主机。数据块需要CRC位来保证数据传输成功。CRC位由SD卡系统硬件生成。STM32控制器可以控制使用单线或4线传输，本开发板设计使用4线传输。图 365为主机向SD卡写入数据块操作示意。
在这里插入图片描述

4.SD卡的操作模式及切换

SD卡有多个版本，STM32控制器目前最高支持《Physical Layer Simplified Specification V2.0》定义的SD卡，STM32控制器对SD卡进行数据读写之前需要识别卡的种类：V1.0标准卡、V2.0标准卡、V2.0高容量卡或者不被识别卡。

SD卡系统(包括主机和SD卡)定义了两种操作模式：卡识别模式和数据传输模式。在系统复位后，主机处于卡识别模式，寻找总线上可用的SDIO设备；同时，SD卡也处于卡识别模式，直到被主机识别到，即当SD卡接收到SEND_RCA(CMD3)命令后，SD卡就会进入数据传输模式，而主机在总线上所有卡被识别后也进入数据传输模式。在每个操作模式下，SD卡都有几种状态，参考表 格，通过命令控制实现卡状态的切换。
在这里插入图片描述

5.SD卡初始化（SPI模式）

SPI操作模式下：在SD卡收到复位命令时，CS为有效电平（低电平），则SPI模式被启用，在发送CMD之前要先发送74个时钟，64个为内部供电上升时间，10个用于SD卡同步；之后才能开始CMD操作，在初始化时CLK时钟不能超过400KHz。

1、初始化与SD卡连接的硬件条件（MCU的SPI配置，IO口配置）；
2、上电延时（>74个CLK）；
3、复位卡（CMD0），进入IDLE状态；
4、发送CMD8，检查是否支持2.0协议；
5、根据不同协议检查SD卡（命令包括：CMD55、CMD41、CMD58和CMD1等）；
6、取消片选，发多8个CLK，结束初始化
这样我们就完成了对SD卡的初始化，注意末尾发送的8个CLK是提供SD卡额外的时钟，完成某些操作。通过SD卡初始化，我们可以知道SD卡的类型（V1、V2、V2HC或者MMC），在完成了初始化之后，就可以开始读写数据了。

6.SD卡读取与写入(SPI模式)

1、发送CMD17；
2、接收卡响应R1；
3、接收数据起始令牌0XFE；
4、接收数据；
5、接收2个字节的CRC，如果不使用CRC，这两个字节在读取后可以丢掉。
6、禁止片选之后，发多8个CLK；

以上就是一个典型的读取SD卡数据过程，SD卡的写于读数据差不多，写数据通过CMD24来实现，具体过程如下：

1、发送CMD24;
2、接收卡响应R1；
3、发送写数据起始令牌0XFE；
4、发送数据；
5、发送2字节的伪CRC；
6、禁止片选之后，发多8个CLK；

以上就是一个典型的写SD卡过程。

二、题目要求

掌握SD卡协议原理，用STM32F103完成对SD卡的数据读取（fat文件模式）。

三、STM32CubeMX建立工程

1、打开STM32CubeMX新建一个工程。配置管脚，将对应的管脚设置成如图所示的样子。
在这里插入图片描述
2、在FATFS中勾选User-defined，其它设置保持默认不变。
在这里插入图片描述
3、在SYS中勾选Serial Wire
在这里插入图片描述
4、GPIO中默认不配置
在这里插入图片描述
5、SPI1使用默认的设置
在这里插入图片描述
6、USART1默认配置
在这里插入图片描述
7、配置RCC为高速时钟源
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
8、生成工程，设置保存路径，文件名，使用的编译器和堆栈大小。
在这里插入图片描述

四、修改文件内容

1、首先移植两个文件到我们的工程内，在工程目录下复制如图两个文件。我会将完整工程放在文章最后。
在这里插入图片描述
2、在工程内添加两个文件
在这里插入图片描述
3、修改接口里面的内容到SPI映射上。
在这里插入图片描述
我这里直接给出修改的内容：

/* USER CODE BEGIN INIT */
  uint8_t res;
	res = SD_init();//SD_Initialize() 
		 	if(res)//STM32 SPI的bug,在sd卡操作失败的时候如果不执行下面的语句,可能导致SPI读写异常
			{
				SPI_setspeed(SPI_BAUDRATEPRESCALER_256);
				spi_readwrite(0xff);//提供额外的8个时钟
				SPI_setspeed(SPI_BAUDRATEPRESCALER_2);
			}
	if(res)return  STA_NOINIT;
	else return RES_OK; //初始化成功
  /* USER CODE END INIT */

main.c

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * <h2><center>&copy; Copyright (c) 2019 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.</center></h2>
  *
  * This software component is licensed by ST under Ultimate Liberty license
  * SLA0044, the "License"; You may not use this file except in compliance with
  * the License. You may obtain a copy of the License at:
  *                             www.st.com/SLA0044
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "fatfs.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "SDdriver.h"




/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */

/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
SPI_HandleTypeDef hspi1;

UART_HandleTypeDef huart1;

/* USER CODE BEGIN PV */

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_SPI1_Init(void);
static void MX_USART1_UART_Init(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */
int fputc(int ch, FILE *f)    
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (unsigned char *)&ch, 1, 0xFFFF);   
    return ch;
}
uint16_t uart_value[3];
uint8_t aRxBuffer1;	//uart rx buff 





void WritetoSD(BYTE write_buff[],uint8_t bufSize);
char SD_FileName[] = "hello.txt";
uint8_t WriteBuffer[] = "yoga 6319070304** \r\n";

//uint8_t test_sd =0;	//用于测试格式化
uint8_t write_cnt =0;	//写SD卡次数




void WritetoSD(BYTE write_buff[],uint8_t bufSize)
{
	FATFS fs;
	FIL file;
	uint8_t res=0;
	UINT Bw;	
	
	res = SD_init();		//SD卡初始化
	
	if(res == 1)
	{
		printf("SD卡初始化失败! \r\n");		
	}
	else
	{
		printf("SD卡初始化成功！ \r\n");		
	}
	
	res=f_mount(&fs,"0:",1);		//挂载
	
//	if(test_sd == 0)		//用于测试格式化
	if(res == FR_NO_FILESYSTEM)		//没有文件系统，格式化
	{
//		test_sd =1;				//用于测试格式化
		printf("没有文件系统! \r\n");		
		res = f_mkfs("", 0, 0);		//格式化sd卡
		if(res == FR_OK)
		{
			printf("格式化成功! \r\n");		
			res = f_mount(NULL,"0:",1); 		//格式化后先取消挂载
			res = f_mount(&fs,"0:",1);			//重新挂载	
			if(res == FR_OK)
			{
				printf("SD卡已经成功挂载，可以进进行文件写入测试!\r\n");
			}	
		}
		else
		{
			printf("格式化失败! \r\n");		
		}
	}
	else if(res == FR_OK)
	{
		printf("挂载成功! \r\n");		
	}
	else
	{
		printf("挂载失败! \r\n");
	}	
	
	res = f_open(&file,SD_FileName,FA_OPEN_ALWAYS |FA_WRITE);
	if((res & FR_DENIED) == FR_DENIED)
	{
		printf("卡存储已满，写入失败!\r\n");		
	}
	
	f_lseek(&file, f_size(&file));//确保写词写入不会覆盖之前的数据
	if(res == FR_OK)
	{
		printf("打开成功/创建文件成功！ \r\n");		
		res = f_write(&file,write_buff,bufSize,&Bw);		//写数据到SD卡
		if(res == FR_OK)
		{
			printf("文件写入成功！ \r\n");			
		}
		else
		{
			printf("文件写入失败！ \r\n");
		}		
	}
	else
	{
		printf("打开文件失败!\r\n");
	}	
	
	f_close(&file);						//关闭文件		
	f_mount(NULL,"0:",1);		 //取消挂载
	
}


void Get_SDCard_Capacity(void)
{
	FRESULT result;
	FATFS FS;
	FATFS *fs;
	DWORD fre_clust,AvailableSize,UsedSize;  
	uint16_t TotalSpace;
	uint8_t res;
	
	res = SD_init();		//SD卡初始化
	if(res == 1)
	{
		printf("SD卡初始化失败! \r\n");		
	}
	else
	{
		printf("SD卡初始化成功！ \r\n");		
	}
	
	/* 挂载 */
	res=f_mount(&FS,"0:",1);		//挂载
	if (res != FR_OK)
	{
		printf("FileSystem Mounted Failed (%d)\r\n", result);
	}

	res = f_getfree("0:", &fre_clust, &fs);  /* 根目录 */
	if ( res == FR_OK ) 
	{
		TotalSpace=(uint16_t)(((fs->n_fatent - 2) * fs->csize ) / 2 /1024);
		AvailableSize=(uint16_t)((fre_clust * fs->csize) / 2 /1024);
		UsedSize=TotalSpace-AvailableSize;              
		/* Print free space in unit of MB (assuming 512 bytes/sector) */
		printf("\r\n%d MB total drive space.\r\n""%d MB available.\r\n""%d MB  used.\r\n",TotalSpace, AvailableSize,UsedSize);
	}
	else 
	{
		printf("Get SDCard Capacity Failed (%d)\r\n", result);
	}		
} 


/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */
  

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_SPI1_Init();
  MX_FATFS_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
	
	HAL_UART_Receive_IT(&huart1,&aRxBuffer1,1); 	//enable uart	

	printf(" OK \r\n");

	Get_SDCard_Capacity();	//得到使用内存并选择格式化



  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
		
		
		
		WritetoSD(WriteBuffer,sizeof(WriteBuffer));		

		
		
		HAL_Delay(500);
		//WriteBuffer[0] = WriteBuffer[0] +10;
		//WriteBuffer[1] = WriteBuffer[1] +10;
		write_cnt ++;
		
		while(write_cnt > 10)
		{	
			printf(" while \r\n");
			HAL_Delay(500);
		}		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
		
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSI_DIV2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL16;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /** Initializes the CPU, AHB and APB busses clocks 
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/**
  * @brief SPI1 Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_SPI1_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN SPI1_Init 0 */

  /* USER CODE END SPI1_Init 0 */

  /* USER CODE BEGIN SPI1_Init 1 */

  /* USER CODE END SPI1_Init 1 */
  /* SPI1 parameter configuration*/
  hspi1.Instance = SPI1;
  hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;
  hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;
  hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;
  hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;
  hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;
  hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT;
  hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_2;
  hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB;
  hspi1.Init.TIMode = SPI_TIMODE_DISABLE;
  hspi1.Init.CRCCalculation = SPI_CRCCALCULATION_DISABLE;
  hspi1.Init.CRCPolynomial = 10;
  if (HAL_SPI_Init(&hspi1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN SPI1_Init 2 */

  /* USER CODE END SPI1_Init 2 */

}

/**
  * @brief USART1 Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_USART1_UART_Init(void)
{

  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 0 */

  /* USER CODE END USART1_Init 0 */

  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 1 */

  /* USER CODE END USART1_Init 1 */
  huart1.Instance = USART1;
  huart1.Init.BaudRate = 115200;
  huart1.Init.WordLength = UART_WORDLENGTH_8B;
  huart1.Init.StopBits = UART_STOPBITS_1;
  huart1.Init.Parity = UART_PARITY_NONE;
  huart1.Init.Mode = UART_MODE_TX_RX;
  huart1.Init.HwFlowCtl = UART_HWCONTROL_NONE;
  huart1.Init.OverSampling = UART_OVERSAMPLING_16;
  if (HAL_UART_Init(&huart1) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  /* USER CODE BEGIN USART1_Init 2 */

  /* USER CODE END USART1_Init 2 */

}

/**
  * @brief GPIO Initialization Function
  * @param None
  * @retval None
  */
static void MX_GPIO_Init(void)
{
  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(SD_CS_GPIO_Port, SD_CS_Pin, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pin : SD_CS_Pin */
  GPIO_InitStruct.Pin = SD_CS_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
  HAL_GPIO_Init(SD_CS_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

}

/* USER CODE BEGIN 4 */

/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */

  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{ 
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     tex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

/************************ (C) COPYRIGHT STMicroelectronics *****END OF FILE****/

主函数内用一个OK来证明是否reset，这里可以你自己来设置这个标记字符串。
在这里插入图片描述
在SD卡写入这里将如图两行代码注释掉，否则输出会有乱码。
在这里插入图片描述
在主函数内改写你想写入SD卡内的内容，还可以改写文件保存类型。
在这里插入图片描述

五、连接验证

准备好一块SD卡：
在这里插入图片描述
连线方式如表格所示：这里供电一定要使用5V，否则可能无法初始化，因为驱动能力不行。

SD卡模块STM32
CSPA4
SCKPA5
MOSIPA6
MISOPA7
VCC5V
GNDGND

连线结果实物图:请添加图片描述
串口测试：
请添加图片描述
如图显示初始化成功，挂载成功。

请添加图片描述
最后用读卡器打开SD卡看到如图所示内容，与我们工程中编写的内容一致，说明成功完成实验。

六、总结

本次实验主要使用了SD卡，深入了解了SD卡的协议相关以及如何对SD卡进行初始化和使用，在使用过程中总是出现挂载失败或者没有显示的问题，这不一定是我们的程序的问题，这里就是因为供电幅值，或者接触不良，或者USB连接有问题导致的。

七、参考资料

https://blog.csdn.net/flyleaf91/article/details/52325539/?ops_request_misc=&request_id=&biz_id=102&utm_term=SD%E5%8D%A1%E7%89%A9%E7%90%86%E7%BB%93%E6%9E%84&utm_medium=distribute.pc_search_result.none-task-blog-2allsobaiduweb~default-3-52325539.pc_search_result_control_group&spm=1018.2226.3001.4187

https://blog.csdn.net/qq_46467126/article/details/122033766

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