Stm32f4用のフル機能のSDHCメモリカードドライバー（パート1）

この記事の目的は何ですか？

すべてのエンベダーは、遅かれ早かれ、プロジェクトのROMマイクロコントローラーが不足するという問題に直面します。 まあ、さて、単純なCNCマシンの制御システムを開発する必要があります。制御プログラムは、デバイス自体またはデータ収集システム、たとえば実験のセンサーから保存されます。マイクロコントローラは、元々そのような情報の配列を格納するように設計されていないことは明らかです。

EEPROMチップの購入と接続から、石のハードウェアUSBホストへの標準USBフラッシュドライブの接続（もしあれば）に至るまで、このケースには多くのソリューションがあります。 さて、手作りのプロジェクトの場合、最適なオプションは最も古典的なSDメモリカードです。 これらはさまざまなタイプで、データの初期化と送信のメカニズムが異なり、さまざまなインターフェースを介してホストに接続されます（そのうち3つだけですが、後で詳しく説明します）。 さらに、多くの最新のマイクロコントローラーには、これらのインターフェイスのハードウェアモジュールが搭載されており、開発者の作業は、それらを構成し、プロトコルに従ってカードに必要なコマンドを送信することだけです。 まあ、メモリカードには、すべての段階で単純に購入するという楽しい特性もあります。

セキュアデジタル（SD）カードについて

ウィキペディアを書き換えません。ここでは、SDメモリカードの基本情報と種類、およびそれらの特性について説明します。
セキュアデジタルフォーマット -主にポータブルデバイスで使用される一般的な（おそらく最も人気のある）フラッシュメモリフォーマット。 そのような各カードの中には、実際には、フラッシュメモリチップ（メモリコア）と、8つのレジスタを持つ外部世界と接続するコントローラがあります。 後者のタスクは、外部インターフェイスのハードウェア実装、カードに関する情報のサポート（タイプ、容量、速度クラスはまだ他の特性の束です）、電力制御、そしてもちろん、マイクロメモリ自体の管理（アドレス指定、読み取り、書き込み、クリーニング、約80の制御コマンドの編成）です）



SDフォーマットは、MMCカードに基づいて、Panasonic、SanDisk、Toshibaによって設立されました。 これらの企業は後にSDカード協会を設立しました。SDカード協会は現在、SDテクノロジーを開発および推進しています。 インターフェイス、プロトコル、コマンド、カードレジスタを詳細に説明するメインドキュメントは、 Physical Layer Simplified Specification （Copyright 2001-2006 SD Group（Panasonic、SanDisk、Toshiba）およびSD Card Association）です。 すべてのR＆Dセンターが将来のデバイスのハードウェアとソフトウェアを開発するときに使用するのは、この情報です。 ファイル自体はインターネットのパブリックドメインに安全に配置されており、ダウンロードするのに問題はありません。 したがって、このドキュメントに従って、次のタイプのメモリカードが存在します。
• SDカード（またはSDSC（Secure Digital Standard Capacity））-第一世代のメモリカード。 ボリュームの制限は2 GBです。 アドレス指定されたスペースの最小サイズは1バイトです。
• SDHCカード（Secure Digital High Capacity）-大容量のメモリカード（最大32 GB）。 最初のタイプとは大きな違いがあります。つまり、アドレッシングは512バイトのブロックで発生し、この世界の誰もこの値を変更できません。 言い換えれば、たとえば71バイトの情報（最小パケットサイズ、512バイト）を取得して書き込むことはできません。 これがなぜそうなのか、特に消化しませんでしたが、これはコントローラーの32ビットアドレス空間によるものであり、メモリカードは通常1つまたは別のファイルシステム用にフォーマットされているため、 。 SDHCカードには初期化プロセスもあります。これについては後で説明します。
• SDXC （Secure Digital eXtended Capacity）-拡張された容量のメモリカード-理論的には最大2TBのメモリ。 アドレス指定も512バイトです。 したがって、32ビットのスペースで判明します：（2 ^ 32）* 512 = 2 Tb。

カードの世代ごとに仕様があり、同時に、新しい世代の各ドキュメントには古いカードに関する情報が記載されています。つまり、製品が更新されるたびに「太ってしまいます」。 そのため、最新バージョンの物理層簡易化仕様をダウンロードして、すべての世代のカードで作業するために必要なものをすべて見つけてください。 また、メモリカードは、データの読み取り/書き込みの速度に応じていくつかのクラスに分類されます。 まあ、あらゆる種類のミニ、microSD、microSDXCなどについては -これはちょうど別のケースサイズとピン配列です-標準サイズのカードと内部の違いはありません。

そして今、それは重要です：カードの種類、容量、メーカー、ケースの種類、購入した色、店舗に関係なく、すべてのセキュリティデジタルカードは外界と同じ相互作用インターフェースを持っています。 コマンド、初期化メカニズムは異なりますが、インターフェースは同じです。 これにより、SDとSDHCの両方のメモリカードをカメラに接続できます。 さて、カードの言語、あるいはもう3つ： SDとUHS-II （アクティブスピーカー）と「すべてのノーカットドッグマイクロコントローラーが現在知っているユニバーサルマイクロプロセッサー通信の言語」 -SPIについて議論するときが来ました。

メモリカードインターフェース

前述のように、セキュリティデジタルカードには、SD、UHS-II、およびSPIの3つの外部インターフェイスがあります。 前者は、ホストとデータを交換するための「ネイティブ」チャネルであり、その結果、フル機能、フルスピードの相互作用の実装を可能にします。 SPIは多くのコマンドをサポートせず、最大のデータ交換速度を提供しませんが、すべてのマイクロコントローラー（最新モデルと古いモデルの両方）に搭載されているため、問題のないすべてのものにカードを接続できます。 これを行う方法に関する記事はたくさんあります。 しかし、マイクロプロセッサ技術の開発により、石の生産の技術的プロセスにおけるナノメートルの減少により、SDカードとの通信手段としてのSPIインターフェースは次第に消滅しています。 確かに、MKがSDプロトコルのハードウェア実装をサポートしている場合、機能性の低い代替手段に連絡しますか？ Fateから、このプロジェクトのためにSTMicroelectronicsからSTm32f4ストーンが送られました。このモジュールには、カードのインターフェイスとプロトコルの両方を実装する周辺モジュールSDIO（セキュリティデジタル入力出力）があります。

では、SDプロトコルとは何ですか？ 3つの重要な概念があります。
• コマンド -カードコントローラーによって認識され、1つまたは別のアクションを呼び出すビットシーケンス。
• response-コマンドに対するカードコントローラーの応答。 これには、一般情報（カードステータス、さまざまな内部モジュールの現在のステータスなど）と、実際にはホストが期待する情報（コマンドでカード識別子を要求した-応答で受信した）の両方を含めることができます。
• データ -まあ、コメントはありません。

しかし、プロトコルのロジックを見る前に、インターフェイスの物理に目を向けます（非常に概要）。


ピン4-電源カード。
ピン3、6-接地;
ピン5-クロック信号。
ピン2-コマンドと応答の行。
ピン1、7、8、9-4ビットデータバスのライン。

カードとの間のすべての送信は、 CLKラインで送信されるクロック信号と厳密に同期したビットシーケンスです。 推奨される周波数は、カードの仕様に記載されており、タイプと速度クラスに応じて異なる意味を持ちます。 どのカードでも、初期化は非常に低い（データ転送と比較して）頻度でのみ行われることに注意してください。 データバスは1ビット （D0のみが動作）または4ビットで 、初期化中に設定されます。 ホスト側のSDカードの場合、データとコマンドラインはプッシュプルで 、 4.5〜10 kOhmの抵抗を介して電源にプルアップする必要があります。 クロックバスも電源にプルする必要があります。

さて、今プロトコルに！

ホストカード情報を交換するには、いくつかのオプションがあります。

1）データのないチーム。
すべてのチームは応答を要求すると要求しないに分けられます。



図からわかるように、応答を必要としないコマンド（ホスト）を送信する必要がある場合は、送信するだけです。 ただし、チームが特定の回答、ヘルメットを暗示している場合、回答を待ちます。 ホスト側とカード側の両方で、ほぼすべてのコマンドと応答がチェックサムによってチェックされます。 さて、コマンドの形式を見てください：



フレームは48ビットで構成されます。 最初は開始ビットで、常にゼロです。 次に、データがホストからカードに送信されると言い、引数付きのコマンドを送信します。 はい、はい、コマンドはインデックスと引数で構成されます。 コマンドの後、巡回冗長検査（CRC）アルゴリズムによって計算された7ビットチェックサムを送信し、ストップビットの送信を完了する必要があります。 コマンドには、 CMD（基本コマンド）とACMD（アプリケーション固有コマンド）の2つのタイプがあります 。 彼らは議論の有無にかかわらず、応答を持つことができ、持たないことができます。 合計で約80のチームがあり（私は確信していなかったかもしれませんが、おそらくそれ以上）、各チームは仕様で詳細に説明されています。 カードの主要な作業（初期化、読み取り、書き込み）に必要ないくつかにのみ焦点を当てます。 コマンドインデックスは、CMDまたはACMD文字の後に来る数字です。 必要に応じて、コマンド引数の6ビットと32ビットが割り当てられます。

ACMDについての重要な説明 ：インデックスのスペースはCMDコマンドのインデックスと交差するため、コントローラーはコマンドをアプリケーション固有のとおりに取り、 CMD55を前に付ける必要があります！

応答（必要な場合）も5つのタイプがあるという理由だけで、トピック全体です。

• R1（通常の応答コマンド） -長さ48ビット。 おそらく最も人気のある応答。

開始ビット、転送方向ビット（カードからホストへ）、応答の生成を促したコマンドのインデックスの6ビット、カードのステータス、そしてもちろん、ストップビット付きのチェックサムが含まれています。 このタイプの応答のすべての情報は32ビットのカード状態分野によって運ばれます 。 仕様では、このステータスの各ビットの意味（カードがビジー/フリー、ロック/ロック解除、データ転送マシンの現在の状態、1つまたは別のアクションの準備など）を慎重かつ慎重に説明しています。

• R1b -R1応答の場合と同じ形式で、データラインで別のビジーフラグのみを送信します。

• R2（CID、CSDレジスタ）-136ビットの応答により、カードコントローラのCIDおよびCSDレジスタの内容がホストに送信されます。

ここで、すべての有用な情報は、 CIDの内容（CMD2またはCMD10コマンドへの応答の場合）またはCSDレジスタの内容（CMD9コマンドを送信する場合）が配置される127ビットフィールドに含まれています。 それでは、特別なチームが彼らのために発明されたのはどのような種類のレジスターであり、そのような長い応答でもありますか？
CID（カード識別データ） -名前が示すように、カードに関するすべての識別情報（シリアル番号、製造元、製造日など）が含まれます。 CSD（カード固有のデータ） -カードに関するすべての技術情報（メモリサイズ、読み取り/書き込みブロックのサイズ、最大速度特性、さまざまなモードでの電流消費の最大特性など）。 モバイルまたはカメラのホストが挿入されたカードに関するすべての情報を取得するために使用するのは、この情報です。

•R3-48ビット長、ACMD41コマンドへの応答として来て、カードレジスタのOCR（動作条件レジスタ）の内容に関する情報を運びます。

ACMD41-カード初期化コマンド。 送信後、この応答を待つ必要があります。この応答は、初期化プロセスが正常に完了したことを示し、 OCRレジスタの内容（使用可能な電圧範囲、メモリカードのタイプ、 ビジーフラグ）を報告します。

• R6（公開されたRCA応答） -RCA（相対カードアドレス）カードといくつかのステータスビットが含まれます。

バスには、複数のカードを単一のホストに接続することが含まれます。 したがって、バス上のカード自身の住所などの概念は非常に重要です。 これはRCAレジスタの内容です。

• R7（カードインターフェイス条件） -CMD8コマンドへの48ビット応答。

カードは特定の電圧で動作し、それ以上でもそれ以下でもありません。 初期化の前に、 検証する必要があります （これについては後で説明します）。 応答として、カードは電圧自体（より正確には、この範囲に対応する値）と特定のチェックパターン（これについては後で詳しく説明します）を送信します。

2）データ。
思い出させてください（ずっと前に言われました...）、コマンドの送信とカードからのフィードバックの受信を検討しました。 今こそ、実際にデータを送信する方法を考え出すときです。 繰り返しますが、これは512バイトのブロックで行われます （SDHCカードの場合）-カードのアドレス空間全体が512バイトのセルに分割されます 。 データを送信する前に、カードコントローラーにデータが送信されようとしていることを通知する特別なコマンドが常に先行する必要があります。 そして、私が言ったように、それらは1ビットまたは4ビットのバスで行きます。 カードからホストにデータを送信する形式（読み取り）を見てみましょう。



2つのデータ転送モードが可能です。1つのブロック（ブロック読み取り操作）と一度に複数のブロック（複数のブロック読み取り操作）。 いずれの場合でも、転送の開始と完了は特別なコマンドで発生します。応答に注意してください。



逆の手順（記録）も同様の方法で実行され、パケット間には必ずビジーなパケットのみが存在し、カードが次のブロックを受け入れる準備ができていないことを通知します（データはまだフラッシュカードに書き込まれていません）。

SDメモリーカードの初期化

まあ、私たち、埋め込み、人々はすべてが初期化される必要があるという事実に慣れているので、SDカードはこの壮大なルールの例外ではありません。 サポートされている電圧を確認し、アドレスを割り当て、一般に、このカードで作業できることを確認する必要があります。 仕様から引き出された初期化アルゴリズムを見て、ブロックごとに順番に調べて、目的の目的で使用する前にデバイスで何をする必要があるかを理解しましょう。



重要 ：初期化は低速で実行されます！ カードシュレッド周波数は400 kHz以下です!!!

重要 ：電源が供給された後、急いでコマンドを使用してカードをロードし、電圧を落ち着かせ、250ミリ秒待機します（1つのバスに接続されているカードの数、データラインの幅、および電源のパラメーターに応じて、少し長くかかる場合があります）。 電圧が必要なレベルに達するとすぐに、すべての浮遊容量などが充電されました。 など、初期化プロセスを作成できます。 そして、すべてのカードをゼロにし、それらをアイドル状態に移行することから始まります。

•ヘルメットCMD0 、引数なしで注意を払い、応答に何も期待しないでください。 その結果、回線上のすべてのカードがアイドル状態になります。

•ストレスを検証する必要があると言ったことを覚えていますか？ そう！ どの電圧で動作するかをカードに伝え、それに関するすべての情報を聞く必要があります。 ビット11：8がホスト電圧を示し、ビット7：0- パターンをチェックする-anyの引数を持つCMD8ヘルメット。仕様では10101010を送信することを推奨しています。 電圧ビットは、表に従って設定されます。



まあ、すべてが非常に明確であり、低電圧範囲からはほど遠い。 Stm32f4は2.7〜3.6 Vの範囲の電圧のみを生成するため、引数の8番目のビットに1を設定します。 合計、引数110101010のチームがあります。 送信しました。 私たちはすべてがうまくいったことを確認し、私たちは答えを待っています。それは私たちを長い間そうさせないでしょう。 仕様では、このコマンドに対する答えはR7タイプであることがわかりました 。
それを待たなければ、さらなるACMD41チームが 、私たちがだまされた方法を正確に決定します-彼らは標準容量のバージョン1.Xカードをスリップしたか、まったくSDカードをスリップしませんでした。 確かに、私たちが何か間違ったことをしている可能性があります。 しかし、悲しいことについては話さないで、フラッシュドライブがまだ応答しているとします。 すべてが電圧でうまくいけば、カードは幸せです、私たちは幸せです、答えには引数で送ったすべて、つまり110101010が含まれます。 これは有効な応答と呼ばれます 。 もしそうなら、我々は次のステップに進みます。

• 110101010を待機しましたが、直接初期化-ACMD41コマンドの時間が来ました。 ここで重要な点を思い出してください。コマンドが単純ではなく、ACMDであることをカードに伝えるために、まずCMD55を送信します 。 引数では、このコマンドの対象となるカードのアドレスを指定する必要があります。 しかし、停止します。アドレスがない限り、私たちは彼を知りません。 何もわかりませんが、後で...しかし、今のところはゼロとヘルメットを書きます。 タイプR1の応答を受け取った後、カードがACMDを受け入れる準備ができていることを確認します。ヘルメット41のインデックスが作成された後でのみです。 このコマンドには引数があり、 30ビット目の場所で1を指定します。これは、ホストがSDHCカードをサポートし、ホスト電圧が23：0ビットであることを示します（OCRレジスタの内容を参照）。 答えはR3タイプを待っています。 ここでは、カードレジスタ（ビジーフラグ）のOCRの内容を伝送する応答パケットの31番目のビットの代わりに1を取得することが重要です。 これは、カードが初期化プロセスを完了したことを示します。 このプロセスには長い時間がかかる（マイクロコントローラーのクロックサイクルよりもはるかに長い）という事実を考慮すると、busyフラグを削除して応答を得るまで、ACMD41を1サイクルで送信する必要があります。 これが発生するとすぐに、チェックは30ビット長になり、1ビットであれば、SDHCまたはSDXC大容量カードがあり、それ以外の場合は標準容量のSDカードがあります。 待って、待って、bisiフラグがハングしてハングした場合、上記の場合のように、不適切なカードか（ほとんどの場合）カントです。

•次のヘルメットCMD2-引数なしで回答R2を確認します。 この場合、 CIDレジスタの内容に関する情報を保持し、製造元ID、カードのシリアル番号、その他の情報を減算できます。

•最後に、最後のステップはカードのアドレスを取得することです（ RCA-相対
住所 ）。 既に述べたように、複数のカードを1つのバスに接続できるため、それぞれに固有のローカルアドレスが必要です。 CMD3ヘルメットを送信すると、 R6のような回答が得られます。 下位16ビットにはカードのステータスが含まれ、上位ビットには新しいRCAアドレスが含まれます。 今後、カードにアクセスするには、名前、つまりRCAアドレスで彼女に電話する必要があります。

•オプションのアイテム。 デフォルトでは、カードは1ビットのデータバスで動作しますが、これはもちろん4ビットのデータバスよりも低速です。 最大のパフォーマンスを達成したい場合-もちろん、以前のCMD55を備えたACMD6ヘルメット。 ただし、最初に、RCAを引数としてCMD7コマンドを使用して、カードをTransfer State状態 （以下を参照）にする必要があります。 引数ACMD6では 、最初のビットの代わりに、 1を書き込みます（4ビットモードを有効にする場合は0 、無効にする場合は0を書き込みます）。 回答R1は、成功した操作を示します。

SDHCカードの初期化の例

この例では、Stm32F4の周辺に書き込まれたmakeshiftコマンド送信機能を使用しています。

char SDIO_send_command(char index, unsigned int arg, char resp_type, unsigned int *resp); 

•インデックス-チームインデックス。
•argは引数です。
•resp type-応答タイプ（0-応答なし、1-短い（48ビット）応答、2-長い（136ビット）応答）;
•resp-応答配列（短い応答の場合、情報は配列の最初の要素によって運ばれ、長い応答の場合-4要素）。
•コマンドは、操作が成功してコマンドを送信して応答を受信した場合は0を返し、それ以外の場合はエラーコードを返します。

 char SDHC_card_initialization(unsigned int *RCA) { char result; unsigned int RESP[4]; result = SDIO_send_command(0, 0, 0, RESP); // CMD0,    if (result != 0) return result; //   result = SDIO_send_command(8, 0x1AA, 1, RESP); // CMD8   110101010 if ( (result != 0) || (RESP[0] != 0x1AA) ) return 4; //   while( !(RESP[0]&(1<<31) ) ) //,      { result = SDIO_send_command(55, 0, 1, RESP); // CMD55,  , ,    ACMD if (result != 0) return result; result = SDIO_send_command(0x29, 0x40020000, 1, RESP); // ACMD41 if (result != 0) return result; } result = SDIO_send_command(2, 0, 3, RESP); // CMD2      if (result != 0) return result; result = SDIO_send_command(3, 0, 1, RESP); // CMD3   RCA  if (result != 0) return result; SDIO->CLKCR = (0x02<<0)|(1<<11)|(1<<8)|(1<<14); //  (  2 - ) *RCA = ( RESP[0] & (0xFFFF0000) ); //    RCA result = SDIO_send_command(7, *RCA, 1, RESP); //   if (result != 0) return result; result = SDIO_send_command(55, *RCA, 1, RESP); // CMD55,  , ,    ACMD if (result != 0) return result; result = SDIO_send_command(6, 0x02, 1, RESP); // ACMD6 c  0x02,  4-  if (result != 0) return result; if (RESP[0] != 0x920) return 1; else return 0; //,         return 0; } 

コードを実行し、答えがゼロであることを確認し、初期化を完了します。 すべて、メモリを操作し、情報を読み書きできます。

データ交換

ここでは、全員がSDメモリカードの状態図（データ転送モード）を操作します。

このモードには6つのカードステータスがあり、 R1応答で12：9ビットでそれらを認識できます。 仕様に目を向ける。

• スタンバイ状態（stby） -アイドル状態の代わりに初期化後に設定されます。
• 転送状態（tran） -データ転送モード。
• 受信データ状態（rcv） -ホストからのデータパケットを待機しています。
• プログラミング状態（prg） -受信したバーストをフラッシュに記録します。
• データ状態（データ）の送信-ホストにデータのパケットを送信します。
• 切断状態（dis） -CMD7コマンドで別のカードを選択するために使用されます。

カードへのデータの書き込み

したがって、初期化に成功すると、 tranの状態になります。いずれにしても、そうでなければなりません。 図を見てください。rcv状態に切り替えるには、書き込みたい512バイトセルのアドレスとともにCMD24コマンドを送信する必要があります。 送信しました。 カードはデータスタンバイモードになりました。 次に、512バイトすべてを転送するか、CMD12コマンドを送信する（送信を停止する）まで、データバスに情報をスローし始めます。 行為が完了すると、カード自体はprg状態に移行し、（データが書き込まれるまで）しばらくそこに留まります。 私たちは待っています...どのくらい正確に待っていますか？ そして、ステータスtranがR1応答で返されるまで、引数にカードのアドレスを含むCMD13サイクルで彼女を送信します。 これが最終的に発生したら、CMD24を再度送信して、データの別のパケットを送信できます。 さらに、複数のブロックを一度に記録するモード（CMD25）および仕様のその他のモード（詳細）もあります。

データの読み取り

逆の手順を実行するには、まず、カードがtranにあることを確認します。 引数にRCAアドレスを持つCMD17ヘルメット。 すべてがうまくいけば、カードはデータ状態に移行し、データラインで512バイトブロックの情報を発行し始めます。 この時点でのホストのタスクは、回線を注意深く聞いてデータを読み取ることです。 パッケージが終了するとすぐに、カード自体がtranステータスに移行します。 一度に複数のブロックで読み書きが可能であると言う必要はないと思います。

初期化ルーチンとは異なり、Stm32f4マイクロコントローラーのSDIOモジュールのハードウェアにあまりにも関連しているため、この記事ではリーダー/ライタープログラムのリストを提供しません。これは記事の第2部のトピックです。

参照：
1） SD_Physical_Layer_Spec 2.0
2） SD_Physical_Layer_Spec 4.1
3）STM32F4 CortexM4リファレンスマニュアル