Работа с картами памяти Secure Digital (SD) возможна через интерфейс SDIO и через SPI. В рамках данной статьи рассматривается работа с SD-картами по интерфейсу SDIO микроконтроллера К1901ВЦ1QI, а именно реализация файловой системы FatFs с помощью модуля от http://elm-chan.org/ (на момент написания статьи актуальная версия FatFs R0.15 от Nov 6, 2022). Портированный модуль тестировался на microSDHC-карте объемом 8Гб.

Рисунок 1. Назначение выводов SD и microSD в режимах SDIO и SPI

При работе с картой использовалось описание стандарта SD в переводе "Упрощенное описание стандарта физического уровня карт SD" и SD Card Association.

1. Вводные сведения о работе примера

В проекте запускается тест драйвера "диска" от автора библиотеки файловой системы. Этот тест проверяет драйвер и сообщает, будет ли драйвер работать с файловой системой FatFs или нет.

Для успешного запуска тестирования требуется реализовать 5 функций (которые расположены в файле diskio.c модуля FatFs):

• disk_status - Возвращает статус текущего диска (диск отсутствует, диск не инициализирован, диск защищен от записи);
• disk_initialize - Инициализация диска;
• disk_read - Чтение данных;
• disk_write - Запись данных;
• disk_ioctl - Реализация вспомогательных функций I/O;
• get_fattime - Возврат текущего времени (используется реализация по умолчанию с помощью модификации файла ffconf.h - FF_FS_NORTC = 1).

Пример работает следующим образом:

• При подаче питания настраивается тактирование (80МГц), выводы GPIO для кнопок и светодиодов для демонстрационной платы, настройка таймаутов для работы с microSD-картой и инициализация системного таймера для их обработки.
• При запуске мигает светодиод LED_CYCLE (PB13), показывая, что исполняется основной цикл while().
• Кнопка Down - выполнение теста драйвера диска FatFs, результат отображается на светодиоды.
• Кнопка Select - тест идентификации карты, результат отображается на светодиоды.
• Результат:
  • LED_OK (PB15) - тест пройден успешно
  • LED_FAULT (PB14) - тест провален.

2. Блок SDIO в К1901ВЦ1QI

2.1. Посылка команды

После подачи питания SD-карту необходимо идентифицировать и инициализировать, обмен при этом осуществляется через линии SDIO_CLK и SDIO_CMD. Для посылки команд реализована функция SDIO_LL_SendCMD(cmd, arg), которая является оберткой функции SPL SDIO_SendCommand(cmd, arg) (фрагмент кода 2).

static inline void SDIO_CR_SetMode(uint32_t CR_Flags)
{
    uint32_t regCR = MDR_SDIO->CR;
    regCR &= ~(SDIO_CR__ModeClear);
    MDR_SDIO->CR = regCR | CR_Flags;
}

SD_CARD_CMD_Result_TypeDef SDIO_LL_SendCMD(uint32_t cmd, uint32_t arg)
{
    SDIO_CR_SetMode(SDIO_CR__SendCMD);
    SDIO_SendCommand(cmd, arg);

    // The transfer is finished
    return SD_CARD_CMD_OK;
}


Фрагмент кода 2.

Пример диаграммы исполнения функции SDIO_LL_SendCMD(cmd, arg) представлен на рисунке 1:

Рисунок 2. Диаграмма исполнения функции SDIO_LL_SendCMD(cmd, arg)

Тактовые импульсы подаются только на время вывода команды. Их столько, сколько задано в (CMD_TRANSFER + 1), то есть для посылки команды к карте - (48 + 1) (по стандарту допускается отключить тактирование, не дожидаясь выхода карты из режима Busy. Текущая операция в карте SD при этом все равно закончится, но в данном случае необходимо подать на карту дополнительный тактовый перепад для снятия сигнала занятости по линии данных SDIO_DATA0).

Сигнал SDIO_CMD начинается со стартового бита, который всегда равен "0", и заканчивается стоповым битом, который всегда равен "1". Таким образом непрерывно идущие посылки разграничиваются переключением уровня сигнала SDIO_CMD "0"->"1" вне зависимости от данных.

Второй бит за стартовым определяет направление передачи по линии SDIO_CMD.

• 1: Передача команды от хоста (МК) к SD-карте.
• 0: Ответ от карты хосту.

Далее идет 6 бит команды, затем старший байт аргумента и остальные байты. После аргумента на линию выводится значение CRC, оно считается аппаратно при установленном бите SDIO_CR_CRC_EN_CMD. Завершается посылка выставлением стопового бита.

2.2. Особенности тактирования

Согласно спецификации на SD, пункт "4.4 Clock Control", тактирование по линии SDIO_CLK может подаваться постоянно, либо выключаться, например, для снижения энергопотребления при простое (отсутствии обмена). Но есть несколько исключений:

1) Необходимо дождаться, чтобы карта закончила текущую операцию, то есть вышла из режима Busy. Для этого карту необходимо опрашивать с периодом не реже 50мс командой ACMD41 (SD_APP_OP_COND), которая возвращает биты статуса. Тактирование при этом можно держать постоянно либо включать только на время опроса, но с учетом п.3.

2) Допускается отключить тактирование, не дожидаясь выхода карты из режима Busy. Текущая операция в карте при этом все равно закончится. Но в данном случае, необходимо подать на карту дополнительный тактовый перепад, чтобы снять сигнал занятости по линии данных SDIO_DATA0. Если этого не сделать, то линия SDIO_DATA0 останется в 0.

3) Тактовая частота должна выдаваться все время, когда карта выводит данные или токены ответа (response). По окончании последней транзакции по шине SD хосту требуется предоставить 8 тактовых циклов для карты, чтобы завершить операцию перед выключением тактирования. Ниже приведен список различных транзакций по шине:

1. Команда без ответа. 8 тактов подается хостом после завершающего бита команды.
2. Команда с ответом карты (response). 8 тактов после завершающего бита ответа карты.
3. Транзакция чтения данных. 8 тактов по завершении последнего бита последнего блока данных.
4. Транзакция записи данных. 8 тактов после токена статуса CRC.

Необходимо, чтобы любая передача по линиям SDIO_DATA0-SDIO_DATA3 и SDIO_CMD всегда заканчивалась 8-ю дополнительными тактами на линии CLK, только после дополнительных 8 тактов сигнал тактирования на CLK может быть остановлен. Аппаратно такой режим не реализуется, дополнительные 8 тактов CLK необходимо формировать программно. Для этого реализована отдельная функция SDIO_LL_SendClockCycles(N) (рисунок 3).

Рисунок 3. Формирование дополнительных 8 тактов CLK после отправки команды

Между посылкой команды и дополнительными 8-ю тактами есть промежуток, связанный с переинициализацией блока SDIO, что, однако, при тестировании не вызывает нарушений обмена с SD-картой. Также следует отметить, что за один вызов функции максимальное количество посылаемых периодов - 32 (поскольку в регистр CMDDR записывается только одно слово для отправки), поэтому для формирования большего числа тактов необходимо вызывать функцию несколько раз.


#define CHECK_CMD_STOPPED 0


#if CHECK_CMD_STOPPED


static inline void WaitCMDStopped(void)
{
    do {
        MDR_SDIO->CR &= ~(SDIO_CR_WORK2 | SDIO_CR_SBITCMD);
    } while (MDR_SDIO->CR & SDIO_CR_WORK2);
}

#define WAIT_CMD_STOPPED WaitCMDStopped
#else
#define WAIT_CMD_STOPPED __nop
#endif

bool SDIO_LL_SendClockCycles(uint32_t clockCycles)
{
    WAIT_CMD_STOPPED();

    SDIO_CR_SetMode(SDIO_CR__SendCycles);
    MDR_SDIO->CMDDR = 0x00FF;
    MDR_SDIO->CMD_TRANSFER = clockCycles; // Number of cycles
    MDR_SDIO->CMDCRC = 0x00000000;

    MDR_SDIO->CR |= SDIO_CR_WORK2;

    if (!WaitCMDCompleted(_SDIO_Timeouts.SD_SendCMD_Timout_ms))
         return false;

    MDR_SDIO->CR &= ~SDIO_CR_DIRCMD; // Command RX
         return true;
}


Фрагмент кода 3.

Функция SDIO_LL_SendClockCycles() практически аналогична SDIO_LL_SendCMD(), различие заключается в управляющих битах регистра CR. В ней сброшены биты:

1. SDIO_CR_SBITCMD = 0, данные на линию SDIO_CMD не выводятся. В регистр CMDDR кладется любое число, чтобы FIFO не было пустым, для начала передачи.
2. SDIO_CR_CRC_EN_CMD = 0, значение CRC не считается и на линию не выводится.
3. SDIO_CR_DIRCMD = 0, линия SDIO_CMD не используется и остается в режиме входа, состояние по умолчанию.

2.3. Чтение ответа от карты

Код чтения ответа от карты такой же, как в спецификации (фрагмент кода 4).

SD_CARD_CMD_Result_TypeDef SDIO_LL_ReadResponse(SD_CARD_ResponseLength_TypeDef respLength,
uint32_t* response)
{
    uint32_t tmpBuff[5];


    // Read answer form SD card
    SDIO_CR_SetMode(SDIO_CR__ReadResp);


    MDR_SDIO->CMD_TRANSFER = (uint32_t)respLength;
    MDR_SDIO->CMDCRC = 0x00000000;
    MDR_SDIO->CR |= SDIO_CR_WORK2;


    // Waiting for a response with a timeout
    if (!WaitCMDCompleted(_SDIO_Timeouts.SD_ReadResp_Timout_ms)) {
          // Force stopping a transaction
        MDR_SDIO->CR &= ~(SDIO_CR_WORK2 | SDIO_CR_SBITCMD);
                return SD_CARD_CMD_TimeoutSend;
    }


    // Reading received data from FIFO
    tmpBuff[0] = MDR_SDIO->CMDDR; // Read the response words 0
    tmpBuff[1] = MDR_SDIO->CMDDR; // Read the response words 1


    response[0] = ((tmpBuff[0] << 8) & 0xFFFFFF00) | ((tmpBuff[1] >> 8) & 0x000000FF);
    if (respLength == SD_CARD_Resp_136bit) {
         tmpBuff[2] = MDR_SDIO->CMDDR; // Read the response words 2
         tmpBuff[3] = MDR_SDIO->CMDDR; // Read the response words 3
         tmpBuff[4] = MDR_SDIO->CMDDR; // Read the response words 4


         response[1] = ((tmpBuff[1] << 8) & 0xFFFFFF00) | ((tmpBuff[2] >> 8) & 0x000000FF);
         response[2] = ((tmpBuff[2] << 8) & 0xFFFFFF00) | ((tmpBuff[3] >> 8) & 0x000000FF);
         response[3] = ((tmpBuff[3] << 8) & 0xFFFFFF00) | ((tmpBuff[4] >> 8) & 0x000000FF);
    }


    return SD_CARD_CMD_OK;
}


Фрагмент кода 4.

В регистре CR выставляются те же биты, что и для посылки команды, сброшен только бит:

• SDIO_CR_DIRCMD = 0, линия SDIO_CMD работает как вход. Сигналами на нем управляет карта.

В этом режиме блок SDIO бесконечно генерирует тактовые импульсы и, после появления на линии SDIO_CMD стартового бита, считывает данные в количестве бит, указанных в регистре CMD_TRANSFER. По окончании чтения линии бит SDIO_CR_WORK2 сбросится в 0, и полученные данные будут вычитаны из регистров блока. Операция чтения выполняется с таймаутом, поскольку если ответа нет, то бесконечное чтение необходимо прервать. Это указывает на то, что карта SD не приняла команду, то есть не послала ответ, либо самой карты нет в разъеме. По этой причине при срабатывании таймаута необходимо вручную сбросить биты SDIO_CR_WORK2 и SDIO_CR_SBITCMD, чтобы остановить транзакцию.

2.4. Таймауты

В спецификации все таймауты указаны в миллисекундах. Для их обработки в примере используется системный таймер SysTick, который входит в состав ядра. Таймер настраивается на генерацию прерывания каждую миллисекунду. В обработчике прерывания декрементируются две переменные, которые отсчитывают таймаут. Значение переменной таймаута задается в коде и затем там же происходит ожидание обнуления этой переменной. Если переменная обнулилась, значит сработал таймаут.

В модуле декрементируются две переменные таймаута. Одна используется внутренними функциями модуля sd_card_sdio_ll.c, а вторая используется функциями более высокого уровня, реализованными в модуле sd_card_protocol.c. Декремент переменных выделен в отдельную функцию SDIO_LL_DelayHandler(). Это сделано для того, чтобы было возможно использовать обработчик системного таймера в основной программе, тогда в обработчике прерываний системного таймера нужно отдельно вызывать функцию SDIO_LL_DelayHandler() для отсчета таймаутов. Если в основной программе обработчик прерывания системного таймера не нужен, то обработчик по умолчанию SysTick_Handler() уже реализован в sd_card_sdio_ll.c и активируется макроопределением USE_SYS_TIMER_HANDLER = 1, в файле sd_card_sdio_ll.h (фрагмент кода 5).

volatile uint32_t DelayInt_ms, DelayExt_ms;

void SDIO_LL_DelayHandler(void)
{
    volatile uint32_t n;

    n = DelayExt_ms;
    if (n)
        DelayExt_ms = --n;
    n = DelayInt_ms;
    if (n)
        DelayInt_ms = --n;
}

#if USE_SYS_TIMER_HANDLER
void SysTick_Handler(void)
{
    SDIO_LL_DelayHandler();
}
#endif
Фрагмент кода 5.

В текущем примере прерывание от системного таймера используется в main.c для мигания светодиодом LED_CYCLE, поэтому определение USE_SYS_TIMER_HANDLER = 0, а в SysTick_Handler() вызывается SDIO_LL_DelayHandler().

3. Работа с SD-картой

Фрагмент кода 6.

Через функцию SD_ExecACMD() реализована вся логика работы с картой.

Работа с картой делится на два этапа:

1. Идентификация карты и настройка рабочего режима.
2. Работа с данными - запись и чтение данных на карте.

3.1. Идентификация карты

Идентификация карты происходит после включения питания. Опрашиваются внутренние регистры карты, определяется ее тип, объем, рабочее напряжение, максимальная скорость работы и т.д. В каждый момент времени на шине SDIO может быть активна только одна карта, поэтому карта назначается активной и затем с ней происходит обмен данными.

Идентификация должна проходить на низкой скорости 100-400кГц и при широком диапазоне напряжений питания 2.7-3.6 В, что необходимо для обратной совместимости со старыми картами.

Последовательность команд идентификации карты описана в спецификации SD, где наглядно указаны переходы между состояниями в виде графов. Ниже рассматривается ветка инициализации, используемая в примере:

1. Включение питания - на демонстрационной плате постоянно подано.
2. Выставление скорости обмена в битах BRG регистра CR - устанавливается делитель для последующего обмена, сама частота на данный момент не подается.
3. Формирование 74 тактов SDIO_CLK согласно спецификации SD после подачи питания.
4. CMD0 (GO_IDLE_STATE) - перевод карты в состояние IDLE. Карта после подачи питания должна быть в состоянии IDLE, но если идентификация вызывается не после подачи питания, а при уже инициализированной карте, которая находится в каком-то режиме, то вызов CMD0 необходим.
   
5. CMD8 (SEND_IF_COND) - команда добавлена, начиная с версии спецификации 2.00 для карт, которые могут работать на меньших напряжениях питания. Используемая карта выдает ответ, что она поддерживает указанный диапазон напряжений 2,7-3,6В. С демонстрационной платы подается 3,3В.
6. ACMD41 (SEND_OP_COND) - опрос статуса карты в цикле, пока она не вернет бит готовности после PowerUp. Бит CCS в ответе говорит, что используемая карта имеет высокую емкость (High Capacity SD Memory). В ответе карта возвращает значение регистра OCR (Operation Conditions Register).
7. CMD2 (ALL_SEND_CID) - чтение регистра CID (Card Identification Data).
8. CMD3 (SEND_RELATIVE_ADDR) - получение адреса карты RCA (Relative Card Address). Используется далее для адресации карты.
9. CMD9 (SEND_CSD) - чтение регистра CSD (Card Specific Data).
10. CMD7 (SELECT_CARD) - карта становится активной, состояние Transfer. С ней будет идти обмен по линиям данных. Остальные карты, если есть на шине, будут в состоянии StandBy.
11. ACMD6 (SET_BUS_WIDTH) - устанавливается обмен по всем четырем линиям SDIO_DATAx.
12. Идентификация закончена, устанавливается делитель частоты BRG на высокую скорость обмена, после чего возможен обмен данными.

Настраивать напряжение питания нет необходимости, поскольку, согласно спецификации на SD-карты, по напряжению питания карты делятся на:

• высоковольтные, с диапазоном Vdd1: 2,7-3,6В (как используемая карта).
• с двумя диапазонами. Это карты ультра-скоростного диапазона UHS_II.
  • Vdd1: 2,7-3,6 В
  • Vdd2: 1,7-1,95 В

3.2. Работа с данными

Последовательность чтения данных:

Последовательность записи данных:

4. Тест файловой системы