STM32与SD卡通信各层分析

最近做了一些STM32和SD卡通信的一些思考，一直以来SD的驱动和应用困扰了我很久，寒假的时候看到SD简化版物理层协议的时候就傻掉了，看到SD的驱动快3000行的代码也动摇了。这几天几种地看了一下SD卡的相关内容，总结了一些体会，感觉也没有那么恐怖了。我决定从分层上来讨论SD的驱动和应用，因为这样可以构建一个清晰的逻辑，且不知哪位计算机大师曾说过：一切计算机问题都可以用分层的方法来解决。

我自己把SD卡从驱动到应用共分为4层，从下至上依次为：驱动层、物理层、文件系统层、应用层。下面一一来介绍各层的一些重要的操作。

1)驱动层

驱动层，对应到ST的库，就是stm32f10x_sdio.c/.h这个两文件。其实使用任何一个STM32的外设，只要用库函数都离不开这一对互相对应的.c/.h文件。对于SDIO外设来说，它就是用来操作寄存器的，由于涉及ST库函数的编写，没能力参透，在此不赘述它的实现过程。

2)物理层

这一层可以说是承上启下的一层，下接驱动层，用于操作寄存器，上接文件系统层，用于统一管理文件，可谓整个SD驱动的核心代码。其实，如果对于SD的要求不高，可以直接在这一层上面进行文件操作，只是没有文件系统操作起来实在不便。之所以叫物理层是因为这一部分的代码主要参考了“SD卡物理层简化协议”这样一个东西。这个协议规定了控制器对SD卡操作的各种指令的格式和操作时序。这一层对应了源代码中的sdio_sdcard.c/.h这两个文件，那么它主要实现了什么功能呢?这一层最重要的一个函数就是SD_Init()——SD卡的初始化函数。这函数包括了SD卡的上电、识别、卡初始这三个重要步骤，分别对应两个子函数——SD_PowerOn、SD_InitializeCards()，而SD_InitializeCards()的返回值包含了卡的类型信息。这两个子函数的实现则是通过STM32内置的SDIO控制器发送CMD命令完成，这个命令的发送要严格遵守SD协议的流程图，而且要及时进行标志位判断，否则很容易程序跑飞了。发送CMD命令是通过填写SDIO_CmdInitStructure这个结构体完成的。举个例子：

SDIO_CmdInitStructure.SDIO_Argument = 0x00;
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;

这个结构体包含了五个参数，从上至下分别控制的是：参数、命令索引、响应格式、是否等待、硬件流控制。填写了五个结构体也就也就配置好了一个CMD命令格式，使用SDIO_SendCommand()函数发送命令即可。当然，这一层还包含了一些其他外设的初始化——NVIC(配置中断向量优先级)、GPIO(配置了SD插槽的IO口)、DMA(使用DMA模式传输)。总结一下这部分就是主机(STM32)用CMD命令控制了SD卡，所以说在这一层上就已经可以直接调用函数来进行初始化、读写操作了。那么为什么又会有文件系统层呢?

3)文件系统层

它的存在就是用来管理文件的。一个SD卡，现在普通的8个G，要是直接使用物理层来操作，就要操作人来记住好多文件的地址、长度等等，这些事情本来就是计算机可以完成的，所以人们就发明了文件系统这么个东西，用来管理大容量储存设备，在文件系统之上来进行操作，整个格局就显得很大了，也更高端大气上档次，否则调用个文件就要写个地址，什么0x20000f54之类的，用的人不得疯了。说了这么多，文件系统的作用就是一个管理层，下接SD的物理层，用来发送各种CMD操作SDIO控制器的寄存器，上承应用函数，封装好了由开发人员自由调用，可以说也是承上启下的关键代码。而且很幸运的是已经有人替你写好了这个代码的绝大部分，你只需要进行适量的修改就能为你所用，搭建起一个文件系统来。FATFS就是在一个很遥远的地方的好心人已经替你写好的东西，这东西通用性很强，与驱动层完全脱离，留下了一些接口函数，往哪个平台上移植，就填写相应的接口函数即可。这个接口连接了SD卡的物理层和文件系统的操作函数。这一层对应的ff.c/.h文件由于也是很遥远的大神编写的，参透不能。故在此不讲怎么实现。

4)应用层

这一层应该是硬件开发人员发挥的一层，因为对应的平台不同，这一层的接口函数填写就完全不同。应用层就是由上一层(文件系统层)留下的各种接口构成，我们填写了接口函数，就可以直接跑文件系统了。怎么写接口函数呢?FATFS在留接口时除了留下了函数名，还留下了参数以及参数对应的功能和格式。帮助文件中有对应接口函数要实现的功能，其实不用查帮助文件通过接口函数的名字也能猜到，比如disk_read就是读盘。这个接口函数要实现读盘功能，就得调用在物理层写下的各种函数，如SD_ReadBlock()，只要注意子函数与母函数调用参数要一致就行，这个一致性就需要开发人员充分理解函数参数功能了。这部分代码很少，编写起来也不是很难，就是要注意记得判断标志位。
至此，SD的操作函数就已经被封装好了，只需要查询FATFS中各种操作函数的功能既可以调用它。
SD驱动还有很多问题没有搞清楚，之前只是对着源码单步调试，看了看功能实现过程，接下来就准备动手移植文件系统试试了，希望能成功。SD驱动做起来还是很有意思的，通过它与其他外设，比如MP3模块或液晶屏模块连接可以实现歌曲播放和图片显示，还是颇有成就感。以前在用电子产品的时候没想到想听首歌看张图这么复杂，从0101的最原始编码到我们看到听到的模拟信号经过了这么多道的工序，想起来也只得感叹人类智慧的无穷尽也。