支持TF卡

李述铜

4768字约16分钟

2024-08-08

提示

同学，你好，欢迎学习本课程！本课程是介绍了FATFS文件系统模块的基本使用，是一门相对较简单的课程。

如果你对文件系统的实现比较感兴趣，也可以关注我的《从0到1写FAT32文件系统》课程。

欢迎转载本文章，转载请注明链接来源，谢谢！

本章介绍如何将FATFS文件系统移植到GD32F470（ARM Cortex-M芯片），主要介绍让FATFS支持开发板的TF卡。

注意

注意：TF卡的读写驱动较为复杂，本课程中不会一步步地去写这块，而是直接GD官方提供的TF卡读写驱动来进行分析，讲解如何进行移植。

我原本打算是做一些SD卡相关驱动的讲解的，不过发现过于复杂。主要有两方面的原因：
一是需要对GD32F470这颗芯片的SD控制器部分有所了解。说实话，我对这块现在没什么兴趣，主要原因是想节省时间，觉得没有必要花时间去了解这块，用官方提供的参考代码即可。
二是SD卡本身的相关细节比较复杂，因为经历了那么多年的发现，有不同的版本、不同速度等级的卡。而且SD卡本身能提供的功能也较多，如读写、设置密码、锁定等，相关的命令也多。
简而言之，就是比较懒吧。这个事情能做，但是觉得深入去做这个事情意义不大，本身就是做的免费开放的课程，没有多大的收益。
所以，最终选择的方案是从GD网站上下载到它的SD卡驱动，直接给用起来。课程只我只做一些分析，不动手去写这块。如果你看这些驱动文件，会发现里面的细节挺多的，真讲起来确实是比较费劲。

硬件连接

如下图所示，梁山派开发板板载了一个TF卡插槽，可以插入一个小的TF卡。GD32F470通过SD接口连接卡，共使用了6根信号线：CLK、CMD、D0-D3。

alt SD卡硬件连接

SD卡本身支持SD接口和SPI接口，由硬件连接可知，其设计采用的是SD接口，并且使用四根信号号进行数据传输。

实现原理

移植思路

SD卡相比W25Q64这种SPI Flash在读写逻辑上要简单很多，没有复杂的块、扇区、页这种多层次的存储组织结构、此外，在SD卡上进行写操作之前，并不需要显式地执行擦除操作。通常情况下，SD卡会自动管理其存储空间的擦除和写入操作。当主机发送写入命令时，SD卡会根据需要擦除相应的块或扇区，并将新数据写入其中。

因此，在我们看来，SD卡就是由大量连续的数据块组成，数据块的大小固定为512字节。

alt 块列表

因此，在进行移植时，只需要参考移植到Visual Studio中的方法，实现SD卡的初始化、块读取和块擦除这些基本的功能即可。

接口实现

由于GD官方已经将SD卡的初始化、块读写等驱动做好，所以这里我们只需要调用即可。

此外，这里仍然需要保留原来的W25Q64的代码，以便让FATFS同时支持板上的SD卡和该存储芯片。为了实现这种，这里为SD卡新增加了一个设备号DEV_SDCARD。

对于设备初始化，直接调用sd_io_init()完成初始化。在该函数中，会完成卡类型的检测、容量的读取等功能。

DSTATUS disk_initialize (
	BYTE pdrv				/* Physical drive nmuber to identify the drive */
)
{
	if (pdrv == DEV_SPIFLASH) {
		w25q64_init_config();
	} else if (pdrv == DEV_SDCARD) {
        uint8_t res=sd_io_init();	//SD卡初始化 
        if(res == SD_OK) {
			return RES_OK;
        }
    }
	
	return RES_OK;
}

在读取SD卡时，在只读取一个块时，使用sd_block_read()进行读取；而当需要读取多个数据块时，使用sd_multiblocks_read读取。

DRESULT disk_read (
	BYTE pdrv,		/* Physical drive nmuber to identify the drive */
	BYTE *buff,		/* Data buffer to store read data */
	LBA_t sector,	/* Start sector in LBA */
	UINT count		/* Number of sectors to read */
)
{
	if (pdrv == DEV_SPIFLASH) {
		uint32_t addr = sector * SECTOR_SIZE;

		for (int i = 0; i < count; i++) {
			W25Q64_read_sector(buff, addr, SECTOR_SIZE);
			addr += SECTOR_SIZE;
            buff += SECTOR_SIZE;
		}
		return RES_OK;
	} else if (pdrv == DEV_SDCARD) {
        //printf("sd_block_read sector: %d  count: %d \r\n",sector,count);
				
        uint8_t res;
        if (count == 1) {
            res = sd_block_read((uint32_t *)buff, sector * 512, 512);
        } else {
            res = sd_multiblocks_read((uint32_t*)buff,sector * 512, 512, count);	 
        }
        
        if(res == SD_OK) {
            return RES_OK;
        }
    }
	return RES_PARERR;
}

写入SD卡的代码和读取类似。

DRESULT disk_write (
	BYTE pdrv,			/* Physical drive nmuber to identify the drive */
	const BYTE *buff,	/* Data to be written */
	LBA_t sector,		/* Start sector in LBA */
	UINT count			/* Number of sectors to write */
)
{
	if (pdrv == DEV_SPIFLASH) {
		uint32_t addr = sector * SECTOR_SIZE;

		for (int i = 0; i < count; i++) {
            W25Q64_erase_sector(addr);
			W25Q64_write_sector((uint8_t*)buff, addr, SECTOR_SIZE);
			addr += SECTOR_SIZE;
            buff += SECTOR_SIZE;
		}
		return RES_OK;
	} else if (pdrv == DEV_SDCARD) {
        //printf("sd_block_write sector: %d  count: %d \r\n",sector,count);
				
        uint8_t res;
        if (count == 1) {
            res = sd_block_write((uint32_t *)buff, sector * 512, 512);
        } else {
            res = sd_multiblocks_write((uint32_t*)buff,sector * 512, 512, count);	 
        }
        
        if(res == SD_OK) {
            return RES_OK;
        }
    }
	return RES_PARERR;
}

SD卡补充资料

关于SD相关的规范，请见以下文档：

@Part1PhysicalLayerSimplifiedSpecificationVer9.10Fin_20231201.pdf

该文档从 SD卡协会官方网站上下载到的。SD卡协会是制定和管理SD卡和相关存储标准的组织，TF卡实际上是SD卡协会定义的一种卡型，其比普通的SD卡要小。该规范描述了SD存储卡使用的物理接口和命令协议。

另外，其它可供参考的链接资料：https://zhuanlan.zhihu.com/p/610495260

SD卡简介

SD卡按照容量可以分为如下几类，一般情况下我们常见的是SDSC和SDHC。

标准容量SD存储卡（SDSC）：最高2 GB
高容量SD存储卡（SDHC）：大于2GB，最高可达32GB
扩展容量SD存储卡（SDXC）：超过32GB，最高可达2TB
超大容量SD存储卡（SDUC）：超过2TB，最高可达128TB

操作接口

SD卡的驱动可以使用如下两种方式：

SD模式：可以采用多根并行的数据线通信，传输速度更快，如上图硬件连接图所示。
SPI模式：速度较慢

速度等级

一共五个速度等级，并指示卡的最低性能：

Class 0：这些等级卡不指定性能
Class 2 大于或等于 2 MB/秒的性能
Class 4 的性能大于或等于 4 MB/秒
Class 6 大于或等于 6 MB/秒的性能
Class 10 大于或等于10 MB/秒性能

结构

以24 mm x 32 mm x 2.1 mm尺寸的SD卡为例，其引脚排列如下：

alt SD引脚

1号引脚：CD/DAT3（Card Detect）：卡检测线，用于检测卡是否插入，或数据线3，用于双向数据传输。
2号引脚：CMD（Command Line）：命令线，用于向卡发送命令。
3号引脚：VSS（Ground）：地线引脚，连接到系统的地线。
4号引脚：VDD（Power Supply）：电源引脚，连接到系统的电源（通常是3.3V）。
5号引脚：CLK（Clock Line）：时钟线，用于同步数据传输。
6号引脚：VSS（Ground）：地线引脚，连接到系统的地线。
7号引脚：DAT0（Data Line 0）：数据线0，用于双向数据传输。
8号引脚：DAT1（Data Line 1）：数据线1，用于双向数据传输。
9号引脚：DAT2（Data Line 2）：数据线2，用于双向数据传输。

alt 结构图

控制器：负责管理数据的读取、写入、擦除和管理存储空间等功能，以及处理与主机设备（如相机、手机）之间的通信。
存储区域：主要存储介质，用于存储数据，通常分为扇区（Sector），每个扇区存储一定量的数据。
寄存器：
- CID（卡识别号）：128位。用于识别SD卡的唯一编号，用于卡的识别。必需。
- RCA（相对卡地址）：16位。由卡动态建议并在初始化期间由主机批准的卡的本地系统地址。必需。
- DSR（驱动器级别寄存器）：16位。用于配置卡的输出驱动器。可选。
- CSD（卡特定数据）：128位。关于卡操作条件的信息。必需。
- SCR（SD配置寄存器）：64位。关于SD存储卡特殊功能能力的信息。必需。
- OCR（操作条件寄存器）：32位。操作条件寄存器。必需。
- SSR（SD状态）：512位。关于卡专有功能的信息。必需。
- CSR（卡状态）：32位。关于卡状态的信息。必需。

工作模式

在我们进行SD卡操作时，需要注意，SD卡有两种工作模式。在进行SD驱动代码阅读时，如果对这个模式有所了解，那么将有助于理解驱动代码。两种模式如下所示：

alt 工作模式

卡识别模式：复位后将处理此模式，用于识别SD卡的类型
数据传输模式：用于进入具体的数据传输

上电与时钟要求

主机应向卡供电，以便在250 ms内达到最小电压，并开始向SD卡提供至少74个SD时钟，同时保持CMD线为高电平。

alt 上电过程

上电后，主机需要持续在 sdclk 上发送时钟，频率在范围 100kHz~400kHz 内 (卡初始化阶段要求的时钟频率) 。在图20的流程走完之前都不能提高到 25MHz 。

逻辑分析仪抓取的时钟图

以下是用逻辑分析仪抓取的开发板上，CMD0命令传输的时序图。可以看到，采用到的频率为400KHz。

alt 时序图

当初始化完成之后，时钟频率进行了切换，这里切换到了12.5MHz。

alt 时钟切换时序图

速度模式

SD有两种不同的速度模式，可通过CMD6命令，从默认的缺省模式切换到高速模式。

两种速度模式，第一种是25MHz，可达到12.5MB/s传输速度。

alt 速度时序

第二种是50MHz，可达到25MB/s传输速度。

alt 切换后的时序

卡识别模式

在卡识别模式下，主机主要重置（reset）所有处于卡识别模式的卡，验证工作电压范围，识别卡并要求它们发布RCA地址。此操作在每张卡上的CMD线进行。完整操作状态切换图如下所示。

一般我们会在很多SD卡的驱动代码中看到对这个流程图中工作流程的实现，本课程中采用的GD官方SD驱动同样如此。

alt 识别模式状态机

具体的流程和命令如下：

上电后，发送软复位命令（GO_IDLE_STATE（CMD0），从而强制让每个卡设置为空闲状（idle）态。复位之后，卡处理接受命令的状态，且接受的SD输入时钟频率为400KHz（速率太高，卡不接受）。

CMD0命令

CMD0是SD卡命令集中的一条命令，也称为软复位命令（Software Reset）。它的作用是将SD卡复位到初始状态，准备进行初始化和识别等操作。具体作用如下：

软复位：CMD0命令会使SD卡复位到初始状态，清除所有寄存器的内容，包括卡的状态寄存器、CID寄存器等，将SD卡设置为初始状态，准备接受后续命令。
初始化准备：在初始化SD卡之前，通常会先发送CMD0命令，将SD卡置于一个已知的状态，以确保后续的初始化命令能够正确执行。
启动初始化序列：发送CMD0命令后，可以继续发送其他初始化命令，如发送CMD8命令检测SD卡的接口版本和工作电压范围，然后发送ACMD41命令初始化SD卡。

总之，CMD0命令是SD卡初始化和识别过程中的第一步，用于将SD卡复位到初始状态，为后续的操作做准备。

接下来，发送SEND_IF_COND（CMD8）用于验证SD存储卡接口工作条件。卡通过分析CMD 8的参数来检查操作条件的有效性，主机通过分析CMD 8的响应来检查有效性。电源电压由参数中的VHS字段表示。卡假定VHS中规定的电压为当前提供的电压。如果卡可以在电源电压下工作，则响应回显在命令参数中设置的电源电压和检查模式。如果卡不能在所提供的电压下工作，则不返回响应并保持空闲状态。

CMD8命令

CMD8命令详解CMD8是SD卡中的一条命令，通常用于SD卡的初始化和识别过程中。其作用如下：