STM32與SD卡通信各層分析

最近做了一些STM32和SD卡通信的一些思考，一直以來SD的驅動和應用困擾了我很久，寒假的時候看到SD簡化版物理層協(xié)議的時候就傻掉了，看到SD的驅動快3000行的代碼也動搖了。這幾天幾種地看了一下SD卡的相關內容，總結了一些體會，感覺也沒有那么恐怖了。我決定從分層上來討論SD的驅動和應用，因為這樣可以構建一個清晰的邏輯，且不知哪位計算機大師曾說過：一切計算機問題都可以用分層的方法來解決。

我自己把SD卡從驅動到應用共分為4層，從下至上依次為：驅動層、物理層、文件系統(tǒng)層、應用層。下面一一來介紹各層的一些重要的操作。

1)驅動層

驅動層，對應到ST的庫，就是stm32f10x_sdio.c/.h這個兩文件。其實使用任何一個STM32的外設，只要用庫函數(shù)都離不開這一對互相對應的.c/.h文件。對于SDIO外設來說，它就是用來操作寄存器的，由于涉及ST庫函數(shù)的編寫，沒能力參透，在此不贅述它的實現(xiàn)過程。

2)物理層

這一層可以說是承上啟下的一層，下接驅動層，用于操作寄存器，上接文件系統(tǒng)層，用于統(tǒng)一管理文件，可謂整個SD驅動的核心代碼。其實，如果對于SD的要求不高，可以直接在這一層上面進行文件操作，只是沒有文件系統(tǒng)操作起來實在不便。之所以叫物理層是因為這一部分的代碼主要參考了“SD卡物理層簡化協(xié)議”這樣一個東西。這個協(xié)議規(guī)定了控制器對SD卡操作的各種指令的格式和操作時序。這一層對應了源代碼中的sdio_sdcard.c/.h這兩個文件，那么它主要實現(xiàn)了什么功能呢?這一層最重要的一個函數(shù)就是SD_Init()——SD卡的初始化函數(shù)。這函數(shù)包括了SD卡的上電、識別、卡初始這三個重要步驟，分別對應兩個子函數(shù)——SD_PowerOn、SD_InitializeCards()，而SD_InitializeCards()的返回值包含了卡的類型信息。這兩個子函數(shù)的實現(xiàn)則是通過STM32內置的SDIO控制器發(fā)送CMD命令完成，這個命令的發(fā)送要嚴格遵守SD協(xié)議的流程圖，而且要及時進行標志位判斷，否則很容易程序跑飛了。發(fā)送CMD命令是通過填寫SDIO_CmdInitStructure這個結構體完成的。舉個例子：

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;

這個結構體包含了五個參數(shù)，從上至下分別控制的是：參數(shù)、命令索引、響應格式、是否等待、硬件流控制。填寫了五個結構體也就也就配置好了一個CMD命令格式，使用SDIO_SendCommand()函數(shù)發(fā)送命令即可。當然，這一層還包含了一些其他外設的初始化——NVIC(配置中斷向量優(yōu)先級)、GPIO(配置了SD插槽的IO口)、DMA(使用DMA模式傳輸)?？偨Y一下這部分就是主機(STM32)用CMD命令控制了SD卡，所以說在這一層上就已經可以直接調用函數(shù)來進行初始化、讀寫操作了。那么為什么又會有文件系統(tǒng)層呢?

3)文件系統(tǒng)層

它的存在就是用來管理文件的。一個SD卡，現(xiàn)在普通的8個G，要是直接使用物理層來操作，就要操作人來記住好多文件的地址、長度等等，這些事情本來就是計算機可以完成的，所以人們就發(fā)明了文件系統(tǒng)這么個東西，用來管理大容量儲存設備，在文件系統(tǒng)之上來進行操作，整個格局就顯得很大了，也更高端大氣上檔次，否則調用個文件就要寫個地址，什么0x20000f54之類的，用的人不得瘋了。說了這么多，文件系統(tǒng)的作用就是一個管理層，下接SD的物理層，用來發(fā)送各種CMD操作SDIO控制器的寄存器，上承應用函數(shù)，封裝好了由開發(fā)人員自由調用，可以說也是承上啟下的關鍵代碼。而且很幸運的是已經有人替你寫好了這個代碼的絕大部分，你只需要進行適量的修改就能為你所用，搭建起一個文件系統(tǒng)來。FATFS就是在一個很遙遠的地方的好心人已經替你寫好的東西，這東西通用性很強，與驅動層完全脫離，留下了一些接口函數(shù)，往哪個平臺上移植，就填寫相應的接口函數(shù)即可。這個接口連接了SD卡的物理層和文件系統(tǒng)的操作函數(shù)。這一層對應的ff.c/.h文件由于也是很遙遠的大神編寫的，參透不能。故在此不講怎么實現(xiàn)。

4)應用層

這一層應該是硬件開發(fā)人員發(fā)揮的一層，因為對應的平臺不同，這一層的接口函數(shù)填寫就完全不同。應用層就是由上一層(文件系統(tǒng)層)留下的各種接口構成，我們填寫了接口函數(shù)，就可以直接跑文件系統(tǒng)了。怎么寫接口函數(shù)呢?FATFS在留接口時除了留下了函數(shù)名，還留下了參數(shù)以及參數(shù)對應的功能和格式。幫助文件中有對應接口函數(shù)要實現(xiàn)的功能，其實不用查幫助文件通過接口函數(shù)的名字也能猜到，比如disk_read就是讀盤。這個接口函數(shù)要實現(xiàn)讀盤功能，就得調用在物理層寫下的各種函數(shù)，如SD_ReadBlock()，只要注意子函數(shù)與母函數(shù)調用參數(shù)要一致就行，這個一致性就需要開發(fā)人員充分理解函數(shù)參數(shù)功能了。這部分代碼很少，編寫起來也不是很難，就是要注意記得判斷標志位。
至此，SD的操作函數(shù)就已經被封裝好了，只需要查詢FATFS中各種操作函數(shù)的功能既可以調用它。
SD驅動還有很多問題沒有搞清楚，之前只是對著源碼單步調試，看了看功能實現(xiàn)過程，接下來就準備動手移植文件系統(tǒng)試試了，希望能成功。SD驅動做起來還是很有意思的，通過它與其他外設，比如MP3模塊或液晶屏模塊連接可以實現(xiàn)歌曲播放和圖片顯示，還是頗有成就感。以前在用電子產品的時候沒想到想聽首歌看張圖這么復雜，從0101的最原始編碼到我們看到聽到的模擬信號經過了這么多道的工序，想起來也只得感嘆人類智慧的無窮盡也。