S3C2416裸机开发系列十六_sd卡驱动实现

标签：S3C2416裸机开发sd卡驱动sd2.0gcc

2014-05-26 12:562429人阅读评论(3)收藏举报

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s3c2416裸机开发（24）

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象棋小子 1048272975

SD卡(Secure Digital Memory Card)具有体积小、容量大、数据传输快、可插拔、安全性好等优点，被广泛应用于便携式设备上。例如作为数码相机的存储卡，作为手机、平板多媒体扩展卡用的TF卡(micro sd)。笔者此处就s3c2416 sd卡驱动的实现作一个简单的介绍。

sd卡技术是在MMC卡的基础上发展起来的，其尺寸与MMC卡一样，只是比MMC卡厚了0.7mm，因此sd设备可以识别并存取MMC卡。sd卡接口除了保留MMC卡的7针外，还在两边加了2针，作为数据线，目的是通过把传输方式由串行变成并行，以提高传输速率。此时的规范为sd1.0版本，最高容量只能到4GB。为了跟进产品的更新换代，sd联合协会在06年发布了容量更大、存储更快的下一代sd卡规范sd2.0。该规范重新定义了sd卡的速度等级，分为三档：Class 2、4、6，分别对应写入速度2MB/s、4MB/s、6MB/s。根据卡容量又分为标准卡(小于2GB)和高容量卡(2GB~32GB)，目前市面上应用的sd卡绝大部分都是sd2.0版本的卡。为了让储存卡更加迷你，通过sd卡规范标准，又衍生了MiniSD卡和Micro SD卡，这些卡均比标准sd卡尺寸小，通过sd转接卡可以当作一般的sd卡使用。尤其是Micro SD卡，可以算是最小的存储卡了，超小的体积可以极大的节省消费电子产品内部设计的空间，基本目前的Android手机均是选用Micro SD卡作为多媒体扩展储存卡。随着科技的进步，sd2.0规范sd卡也渐渐无法满足应用的需求，在10年sd联合协会又发布了新的sd3.0规范，该规范定义了sdxc和uhs，并增加了Class10，容量范围为32GB~2TB。在sdxc卡仍需进一步坐等其价格下降的情况下，sd4.0规范已经开始在紧张的制订中，这已超出本文的讨论范围内了。

sd卡共支持三种传输模式：spi模式、1位sd模式、4位sd模式。所有的sd卡都必须支持较老的spi/mmc模式，这个模式支持慢速的四线spi接口，使很多微控制器都可以通过spi或模拟spi接口来读写sd卡。由于s3c2416具有sd总线控制器，并且兼容sd2.0的sd卡，因此此处只分析4位sd模式、sd2.0及sd1.0版本的sd卡驱动实现，sd2.0以上版本sd卡、MMC卡、spi方式读写sd卡在本文不适用。

sd卡驱动的编写必须参考sd2.0规范，此处只根据sd2.0规范讲解几个重要的过程或概念，这些过程具体的实现请参考sd驱动模块中相应的函数实现。

sd卡上电后，将进入idle状态，此时的sd卡为1位sd模式。通过拉低CS线将可使sd进入spi模式(不再讨论范围内)，在sd模式下卡的初始化及识别过程见图2.1.1，其步骤如下：

1) 发送CMD0软件复位所有的卡到idle状态。

2) 发送CMD8来检查卡是否支持主机电压(2.7v~3.3v)，这个命令在sd2.0以上才被定义，若没有收到回复信号，则可能为sd1.0或MMC卡，若接收到卡回复信号，说明为sd2.0版本卡，跳转到步骤5

3) CMD8没有收到回复信号，可进一步发送ACMD41(CMD55+CMD41)，参数HCS位为0(非高容量卡)，如果没有回复信号，说明是MMC卡或其它不能识别的卡，可进一步发送CMD1确定是否MMC卡(此处不再分析)

4) ACMD41能收到回复，并且从回复中确定sd卡己准备好，即可确定这是sd1.x版本的卡，若回复中表明sd卡未准备好，则需重复发送ACMD41等待卡准备好，可通过超时(卡一直busy)判断卡不支持主机电压，此时表明卡不可用。判断出sd1.x的卡后，跳转到步骤9

5) CMD8有回复说明为sd2.0以上的卡，从回复中确定卡是否能在该电压下工作，不能则认为卡不可用。

6) 回复中确定卡能在2.7v~3.3v电压工作后，进一步发送ACMD41(CMD55+CMD41)，参数HCS位为1表明主机支持高容量的卡

7) 检查ACMD41卡回复中忙标志，若卡处于忙状态，则重复发送ACDM41，直到卡准备好，可通过超时(卡一直忙状态)可认为该卡不可用。

8) ACMD41回复准备好后，再检查回复中的CCS位，该位为1说明是sd2.0高容量sdhc卡，若为0，则说明为sd2.0标准容量卡。

9) 在识别出sd1.x、sd2.0标准卡或sd2.0高容量卡后，此时卡进入ready态。进一步通过CMD2请求卡发送其CID(Card Identification)，此时卡进入Identification态。

10) 卡在Identification态后，发送CMD3请求卡发布一个16位新的相对地址(RCA)，以后主机与卡之间的点对点通信均会以这个RCA地址来进行，此时卡进入Stand-by态。

11) 至此，卡的初始化及识别过程结束，此时卡进入数据传输模式(data transfer mode)

图2.1.1. sd卡初始化及识别流程

sd卡主控制器是一个非常典型的状态机，每个状态只会响应该个状态下的特定命令，不要尝试在某个状态下发送这个状态不支持的命令，sd卡不会对该命令进行响应，命令只会超时。应该通过特定的触发条件转变状态或等待状态迁移完成后，再发送对应状态的命令。如图2.2.1，要想写一个块的数据到sd卡，在stand-by态的情况下，必须通过CMD7选择卡，让卡进入transfer态，然后再发送CMD24单块写命令，再发送一块的数据，此时卡进入Programming态，这时如果又紧接发送CMD24进行单块写将不会成功，必须等待sd卡编程完，从Programming态返回到transfer态才能再次接收下一个块写命令。同样，在transfer态想通过CMD9来获得Card-Specific Data(CSD)，必须通过CMD7取消选择卡，此时卡进入stand-by态后，即可通过CMD9来获得卡信息。

图2.2.1. sd卡数据传输模式

任何cpu的sd卡主机控制器都可以根据sd2.0规范给出的卡初始化及识别流程进行卡的初始化，对于具体的cpu，需要进行一些与控制器相关的设置，主要有以下几点，具体的实现可参考Hsmmc_Init()这个初始化函数。

1) 设置功能引脚，把相应引脚配置成sd接口用引脚

2) 设置sd卡时钟在100k~400k，sd卡在识别阶段必须用慢速时钟进行访问

3) 按照规范给出的卡初始化流程对卡进行发送相应的命令并处理回复，成功后卡进入stand-by态

4) 通过发送CMD7选择卡，使卡进入transfer态，因为卡的大部分操作如读、写、擦除等均是在这个状态下来进行的，此时卡已完全准备好接收读写命令了。

5) 设置sd卡的时钟到一个较高值，sd卡默认支持最高25M时钟，可以设置成高速模式，最高支持50M，频率越高，数据传输速率越快

6) 通过ACMD6(CMD55+CMD6)来设置sd模式的位宽为4，sd卡初始化后默认是1线宽，更多的数据线将有更大的带宽，数据传输速率最高12.5MB/s(25M、4线)或25MB/s(50M、4线)。

7) 发送CMD16设置块长度，对于标准卡，可通过CMD16来设置块命令(如块读、块写)所操作块的长度(以字节数计)，可实现字节的读写，但对于高容量卡这个命令将被忽略，高容量卡一个块的长度均是固定512字节的。通常通过CMD16设置块长度为512字节。至此卡初始化完成。

sd规范对命令包格式、回复包、数据的传输方式等均作了详细的要求。虽然sd卡主机控制器可以帮我们对命令进行打包，对回复进行解包，产生CRC，并在sd总线上输出相应的时序。我们仍需要告诉sd卡主机控制器需发送的命令、这个命令的参数、这个命令发送后是否需要使用data线， sd卡的回复类型。具体到s3c2416的sd卡主机控制器，这些设置通过CMDREG寄存器来实现。主要有以下几点，具体的实现可参考Hsmmc_IssueCommand()这个命令发送函数。

1) 命令发送时，需检查命令线是否已被使用，若是，则等待正在发送的命令发送完才能发送这个命令

2) 如果命令回复会带忙信号(如R1b回复)，则需检查数据线是否已被使用，若是，则等待数据线空闲，带忙回复命令发送后，sd卡会拉低DAT[0]线表明sd卡正忙，数据线不可用。

3) 把命令参数写入ARGUMENT这个寄存器中

4) 在CMDREG中设置命令值[13:8]

5) 设置是否需使用data线，如块读、块写等命令发送后，会紧接着在data线上传输数据，其它不需传输数据的命令不要设置使用data线CMDREG[5]

6) 设置sd卡的回复类型，绝大部分命令在sd卡正确响应后，都会对主机进行回复(R1-R7，R1b)，每个命令对应的回复类型请参考sd卡规范。回复类型长度可能为136或48，回复中是否包含CRC或命令值的反馈，如果包含，则告诉主控制器检查回复中相应的CRC或命令值反馈是否正确，以确定传输正确。CMDREG设置好后，主控制器就会发送命令并接收设定长度的回复并根据设定检查CRC、命令值反馈是否正确(若回复中包含CRC或命令值反馈的话)

7) 等待命令完成，检查中断状态位NORINTSTS[15]以确定命令是否有错误，若没有错误并且检测到NORINTSTS[0]命令完成位为1，则说明命令发送成功。其它情况说明命令未能成功发送。

通常对于一个sd卡驱动模块，至少实现卡初始化、块读、块写这三个接口函数。块读、块写必须在卡初始化完成后，在transfer态下才有效。通常有以下几点需要注意，具体可参考Hsmmc_ReadBlock()和Hsmm