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or1200基于simple-spi的SD卡驱动

2013-05-03 21:00 316 查看
这篇blog来说说基于simple-spi这个ipcore编写spi模式的SD Card裸机的驱动程序，移植依赖分不清什么SD卡啊，micro SD啊，miniSD，MMC，SDIO啊，SDHC啊等等一大堆的概念，今天抽了点时间百科和wiki扫盲去了，顺便把总结的贴出来，留自己以后回顾~

MMC：Multimedia Card（多媒体记忆卡），基于NAND-Flash技术，衍生版有出RS-MMC（小尺寸的多媒体卡）、双电压小尺寸多媒体卡（DV-RS-MMC）。4.x规范引入升级版MMC plus，MMC4卡和RS-MMC4（移动式MMC，老式RS-MMC的山寨），并且引入secureMMC规范

SD：Secure Digital Memory Card，基于MMC卡格式发展而来，同样是NAND-Flash技术，SD设备兼容MMC卡存取，而MMC设备不能存取SD卡（因为卡槽不一致，不能互插）。

miniSD：个人理解是小型的SD卡，兼容SD卡，电器属性稍微有点区别。

microSD：原名Trans-flash Card（TF卡），04年更名microSD Card，比miniSD尺寸更小的SD卡。

SDHC：Secure Digital High Capacity（高容量SD卡4G~32G），鉴定完毕（本人手机用的也只microSD咧，SDHC用在什么方面？求解释），规定使用FAT32文件系统。

SDIO：Secure Digital Input and Output Card（安全数字输入输出卡），在SD标准上定义的一种外设接口。（接口？我能不能理解成类似USB一样，不过就是把外设的接口做成SDIO，那有USB了为毛还要用这个接口，求大神解释）

目前SD卡差不多取代完MMC卡了，不过SD的卡槽可以卡得进MMC，所以是兼容MMC的，也因为这样MMC卡，因为用MMC卡可以不交SD协议的版税，所以还在用，至于miniSD和microSD套进去插到SD卡槽就可以用了，SDHC没见过，解释不了了，SDIO的设备也没用过，可以去淘宝YY一下，SDIO接口的wifi，蓝牙等等的，但是比起USB接口的来得贵，大神，求解释啊，应用场合是什么？

这世界貌似好多东西我不能够理解啊~除了坑爹还是坑爹~

再说说那个操作接口和时序规范的问题

（转一下wiki上面关于各种技术对比的图，很一目了然）



SD卡比起MMC多了2pins，都是用来做数据线的；

miniSD比起SD又多了2pins，现在只做预留，没什么用处，其他和SD卡一样

microSD比SD少了1pin？貌似比对我手上的那些原理图是少了个VSS？

因为历史原因，SPI时序基本在这里面都会支持，还有SD总线的1bit mode是支持的，但是SD卡用于高速情况是一般我们选择是4bit mode，我自己是没用过SD总线的1 bit mode，通常我会选择跑高速数据选择SD总线的4 bit mode，低速跑SPI。

有这个SD 1 bit mode为毛还要SPI mode咧？所以这个世界除了坑爹还是坑爹，但是像我们这些读过一点点书的人都知道：“存在就是合理”这个碉堡了的名言。

1.你见过大部分SOC（特别是低端）集成SPI controller还是支持SD Bus 和controller多

2.写过SD卡驱动的朋友们处理CRC校验你耗资源多不多（硬件无CRC校验）

3.SD的CMD线与DATA线之间有可能同时产生数据，对没有SD硬件模块的主机支持起来难度较高（引用别人blog的原话）

挑点重点来讲讲，也因为我只知道这么多了，见笑见笑！！！

下面就是讲讲SD/MMC规范SPI时序的SD卡读写过程了，至于SD 4bit mode就先不细说了，以后有时间编写程序再发个blog~

至于官方的SD specs我没怎么看过，太长了~真心看不动~google一下有没有别人总结过的经验了，就算把官方的specs翻译成中文也懒得看了~

SD发展了这么多年头，民间总结的资料我觉得比起看官方的spces来得实际很多，至于关于SD卡的资料推荐《ALIENTEK战舰STM32开发板》里面的光盘，这里绝对我不是托，只是朋友再用这款开发板，而里面整理好关于SD卡的资料我真心觉得不错。

到此，根据写好的基于simple-spi这个core的SD驱动，总结最简单的流程

一、Initialize：

1.开发板上电

2.延时>74clocks

3.写CMD0，复位SD卡

4.写CMD8，检查版本

5.写CMD58，查询OCR，获取卡供电情况

6.写CMD1，激活卡

7.8 clocks后，禁止SD的CS

二，read block：

1.写CMD17

2.等到R1格式的命令应答

3.读取起始令牌0xFE

4.读512 bytes

5.丢弃2 bytes的CRC校验bytes

6.8 clocks后，禁止SD的CS

三、write block：

1.写CMD24

2.等到R1格式的命令应答

3.插入若干clocks

4.写起始令牌0xFE

5.写512 bytes

6.写2 bytes CRC校验bytes（dummy bytes）

7.接收响应数据0x05

8.8 clocks后，禁止SD的CS

四、write blocks：

1.写CMD25

2.等到R1格式的命令应答

3.读取起始令牌0xFC

4.写512 bytes

5.写2 bytes CRC校验bytes（dummy bytes）

6.接收响应数据0x05

7.等待SD card空闲

8.重复第2步

至于关于SD卡的命令集google一下一大堆，了解一下常用的命令就OK啦，或者参看官方的SD specs 2.x的第7 chapter关于SPI Mode的描述，里面有关于命令集合时序图。

废话不多了，关于SD的基础知识和SPI的操作解释到这里，至于朋友们还需要更多的SD的知识可以去wiki关于SD的详解。

http://en.wikipedia.org/wiki/Secure_Digital

下面就根据SD卡SPI的时序图和simple-spi这个core的spces来敲SD card的driver

还是来讲讲编写好的simple-spi的几个封装函数先了，这些函数咧，是opencore社区的牛牛写好的，我就不另外自己去编了~省点精力~

首先在高速读写SD卡的时候咧，用轮询方式比用中断方式去读写SD卡效率要高（真的吗？我自己没研究过），但是我轻信了这句话，所以没用中断去写SD的driver，所以这里仅仅介绍用到的API啦~

这个驱动文件在u-boot/driver/spi中可以找到oc_simple_spi.c~

至于对应的simple-spi的代码我用的是orpsocv2里面的，orpsocv2修改了simple-spi支持slave的选择功能，这份驱动就是按照修改过的core编写的，上代码了~

只贴出来用到的函数，具体参考simple-spi的specs把寄存器配置都稍微看懂。

void 
spi_core_enable(int core)
{
  REG8((SPI_BASE_ADR[core] + SIMPLESPI_SPCR)) |= SIMPLESPI_SPCR_SPE;
}

void 
spi_core_disable(int core)
{
  REG8((SPI_BASE_ADR[core] + SIMPLESPI_SPCR)) &= ~SIMPLESPI_SPCR_SPE;
}

void 
spi_core_clock_setup(int core, char polarity, char phase, char rate,
			  char ext_rate)
{
  char spcr = REG8((SPI_BASE_ADR[core] + SIMPLESPI_SPCR));

  if (polarity)
    spcr |= SIMPLESPI_SPCR_CPOL;
  else
    spcr &= ~SIMPLESPI_SPCR_CPOL;

  if (phase)
    spcr |= SIMPLESPI_SPCR_CPHA;
  else
    spcr &= ~SIMPLESPI_SPCR_CPHA;

  spcr = (spcr & ~SIMPLESPI_SPCR_SPR) | (rate & SIMPLESPI_SPCR_SPR);

  REG8((SPI_BASE_ADR[core] + SIMPLESPI_SPCR)) = spcr;

  char sper = REG8((SPI_BASE_ADR[core] + SIMPLESPI_SPER));
  
  sper = (sper & ~SIMPLESPI_SPER_ESPR) | (ext_rate & SIMPLESPI_SPER_ESPR);

  REG8((SPI_BASE_ADR[core] + SIMPLESPI_SPER)) = sper;

}

// No decode on slave select lines, so assert correct bit to select slave
void 
spi_core_slave_select(int core, char slave_sel_dec)
{  
  REG8((SPI_BASE_ADR[core] + SIMPLESPI_SSPU)) = slave_sel_dec;
}

int 
spi_core_data_avail(int core)
{
  return !!!(REG8((SPI_BASE_ADR[core]+SIMPLESPI_SPSR))&SIMPLESPI_SPSR_RFEMPTY);
}

int 
spi_core_write_avail(int core)
{
  return !!!(REG8((SPI_BASE_ADR[core]+SIMPLESPI_SPSR))&SIMPLESPI_SPSR_WFFULL);
}

// Should call spi_core_write_avail() before calling this, we don't check
void 
spi_core_write_data(int core, char data)
{
  REG8((SPI_BASE_ADR[core] + SIMPLESPI_SPDR)) = data;
}

char 
spi_core_read_data(int core)
{
  return REG8((SPI_BASE_ADR[core] + SIMPLESPI_SPDR));
}


然后稍微理解用到的最通常的读写函数，就可以转到SD卡driver的编写了~驱动参考振南兄的znFAT里SD驱动流程编写

好，第一个，reset过程函数SDReset()，对着时序图来说话



按照上面描述过的初始化流程，送74clocks，cs拉低，送命令CMD0（0x4000000095）,间隔8*clock*n后，等待从设备的0x1应答，cs再次拉高

必须注意的是，reset和初始化时时钟速率必须降低，至于速率降到多少貌似还没有定论，我初始化的时候时降到了300K左右，貌似400K一下都可以操作。

unsigned char SDReset(void){		
	unsigned char times, temp, i;
	unsigned char pcmd[] = {0x40,0x00,0x00,0x00,0x00,0x95};	// CMD0

	// send SDCard 74 clocks
	spi_core_slave_select(SD, SDDisable);
	SetSDClockInitRate(SD);		// slow down sdcard clock speed
	for(i=0; i<0x0f; i++){		
		spi_write_ignore_read(SD, 0xff);	// 8*15 = 120 clocks
	}

	// send CMD0
	spi_core_slave_select(SD, SDEnable);
		
	times = 0;
	do{
		temp = SDWriteCmd(pcmd);
		times++;
		if(times == TRY_TIME){
			return INIT_CMD0_ERROR;
		}
	}while(temp!=0x01);

	spi_core_slave_select(SD, SDDisable);
	spi_write_ignore_read(SD, 0xff);
	
	return 0;
}


初始化SD卡时序：cs拉低，送命令CMD0（0x41000000ff）,间隔8*clock*n后，等待从设备的0x0应答，cs再次拉高



初始化代码：

unsigned char SDInit(void){
	unsigned char times, temp;
	unsigned char pcmd[] = {0x41,0x40,0x00,0x00,0x00,0xff};

	spi_core_slave_select(SD, SDEnable);
	times = 0;
	do{
		temp = SDWriteCmd(pcmd);
		times++;
		if(times==TRY_TIME){
			return INIT_CMD1_ERROR;
		}
	}while(temp!=0x00);

	SetSDClockTransferRate(SD);		//set sdcrad clock as transfre clock
	spi_core_slave_select(SD, SDDisable);
	spi_write_ignore_read(SD, 0xff);
	return 0;
}


至于CID和CSD的读取，程序里没有实现，有兴趣的朋友可以根据CMD0和CMD1的时序自己敲个代码上去补充完整





在默认情况下，SD卡的读写block大小都是512bytes，所以就按照最通常的block大小进行读写操作。

block读操作：cs拉低，送命令CMD17（0x51000000ff）,间隔8*clock*n后，等待从设备的0x0应答，再次间隔间隔8*clock*n，读取开始字节（0xfe），读取512bytes，丢弃2bytes的CRC，cs再次拉高



读写一个section的代码：

unsigned char SDReadSector(unsigned long addr,unsigned char *buffer){
	unsigned char temp,times;
	unsigned char i;
	unsigned char pcmd[]={0x51,0x00,0x00,0x00,0x00,0xff};	// CMD17

	addr<<=9;
	pcmd[1]=addr>>24;
	pcmd[2]=addr>>16;
	pcmd[3]=addr>>8;
	pcmd[4]=addr;

	spi_core_slave_select(SD, SDEnable);
	times = 0;
	do{
		temp = SDWriteCmd(pcmd);
		times++;
		if(times==TRY_TIME){
			return READ_BLOCK_ERROR;
		}
	}while(temp!=0x00);
	
	// check if datas ready ,then recevie datas and two bytes CRC(ignored)
	do{
		temp = spi_read_ignore_write(SD);
	}while(temp!=0xfe);
	
	for(i=0; i<64; i++){
		*(buffer++) = spi_read_ignore_write(SD);
		*(buffer++) = spi_read_ignore_write(SD);
		*(buffer++) = spi_read_ignore_write(SD);
		*(buffer++) = spi_read_ignore_write(SD);
		*(buffer++) = spi_read_ignore_write(SD);
		*(buffer++) = spi_read_ignore_write(SD);
		*(buffer++) = spi_read_ignore_write(SD);
		*(buffer++) = spi_read_ignore_write(SD);
	}
	spi_read_ignore_write(SD);
	spi_read_ignore_write(SD);

	spi_core_slave_select(SD, SDDisable);
	spi_write_ignore_read(SD, 0xff);
	return 0;	
}




block写操作：cs拉低，送命令CMD24（0x58000000ff）,间隔8*clock*n后，等待从设备的0x0应答，再次间隔间隔8*clock*n，写入开始字节（0xfe），写入512bytes，写2bytes的dummy CRC，读取应答字节0x05，等待SD忙状态结束，cs再次拉高。

写操作代码：

unsigned char SDWriteSector(unsigned long addr,unsigned char *buffer){
	unsigned char temp,times;
	unsigned char i;
	unsigned char pcmd[] = {0x58,0x00,0x00,0x00,0x00,0xff};	// CMD24

	addr<<=9;
	// *((unsigned long *)(pcmd+1))=addr;
	pcmd[1]=addr>>24;
	pcmd[2]=addr>>16;
	pcmd[3]=addr>>8;
	pcmd[4]=addr;

	spi_core_slave_select(SD, SDEnable);
	times = 0;
	do{
		temp = SDWriteCmd(pcmd);
		times++;
		if(times==TRY_TIME){
			return temp;
		}
	}while(temp!=0x00);

	// insert some clocks
	for(i=0; i<10; i++){
		spi_read_ignore_write(SD);
	}

	// write 512 bytes to SD Card ,and two bytes CRC(ignored)
	spi_write_ignore_read(SD, 0xfe);
	for(i=0; i<64; i++){
		spi_write_ignore_read(SD, *buffer++);
		spi_write_ignore_read(SD, *buffer++);
		spi_write_ignore_read(SD, *buffer++);
		spi_write_ignore_read(SD, *buffer++);
		spi_write_ignore_read(SD, *buffer++);
		spi_write_ignore_read(SD, *buffer++);
		spi_write_ignore_read(SD, *buffer++);
		spi_write_ignore_read(SD, *buffer++);
	}
	spi_write_ignore_read(SD, 0xff);
	spi_write_ignore_read(SD, 0xff);

	// check if datas have been written to SD Card
	temp = spi_read_ignore_write(SD);
	if((temp & 0x1F)!=0x05){
		spi_core_slave_select(SD, SDDisable);
		return WRITE_BLOCK_ERROR;
	}
	
	do{
		temp = spi_read_ignore_write(SD);
	}while(temp!=0xff);	
	
	spi_core_slave_select(SD, SDDisable);
	spi_write_ignore_read(SD, 0xff);
	return 0;
}


对于多个blocks的连续写操作，直接参考代码吧，只是用连续写操作命令CMD18，命令的参数段位写入datas时的address，好吧，有了写操作过程连续写的过程也不难，上代码咯~

连续写n个sections代码：

unsigned char SDWritenSector(unsigned long nsec,unsigned long addr,unsigned char *buffer){
	unsigned char temp,times;
	unsigned long i, j;
	unsigned char pcmd[] = {0x59,0x00,0x00,0x00,0x00,0xff};

	unsigned char *temp_buf = buffer;

	if(sd_ver==0x05 || !addr_mode) addr<<=9;
	pcmd[1]=addr>>24;
	pcmd[2]=addr>>16;
	pcmd[3]=addr>>8;
	pcmd[4]=addr;

	spi_core_slave_select(SD, SDEnable);

	times = 0;
	do{
		temp = SDWriteCmd(pcmd);
		times++;
		if(times==TRY_TIME){
			return temp;
		}
	}while(temp!=0x00);

	// insert some clocks
	for(i=0; i<10; i++){
		spi_read_ignore_write(SD);
	}

	// write datas to sections
	for(j=0; j<nsec; j++){	
		// write 512 bytes to SD Card ,and two bytes CRC(ignored)
		spi_write_ignore_read(SD, 0xfc);	
		for(i=0; i<64; i++){
			spi_write_ignore_read(SD, *buffer++);
			spi_write_ignore_read(SD, *buffer++);
			spi_write_ignore_read(SD, *buffer++);
			spi_write_ignore_read(SD, *buffer++);
			spi_write_ignore_read(SD, *buffer++);
			spi_write_ignore_read(SD, *buffer++);
			spi_write_ignore_read(SD, *buffer++);
			spi_write_ignore_read(SD, *buffer++);
		}
		spi_write_ignore_read(SD, 0xff);
		spi_write_ignore_read(SD, 0xff);
		
		// check if datas have been write to SD Card
		temp = spi_read_ignore_write(SD);
		if((temp & 0x1F)!=0x05){
			spi_core_slave_select(SD, SDDisable);
			return WRITE_BLOCK_ERROR;
		}
		while(spi_read_ignore_write(SD)!=0xff);
		buffer=temp_buf;	
	}

	spi_write_ignore_read(SD, 0xfd);
	while(spi_read_ignore_write(SD)!=0xff);
	spi_core_slave_select(SD, SDDisable);
	spi_write_ignore_read(SD, 0xff);
	return 0;	
}


OK，到这里SD卡的驱动就基本可以用了，全部的源码的话可以有兴趣的朋友邮件我，接下来就是还有一些用到的函数都讲讲吧。

SD驱动的读写函数

void spi_write_ignore_read(int core, char dat){
	spi_core_write_data(core, dat);
  	while (!(spi_core_data_avail(core))); // Wait for the transaction (should generate a byte)
  	spi_core_read_data(core);
}

char spi_read_ignore_write(int core){
	spi_core_write_data(core, 0xff);
	while (!(spi_core_data_avail(core))); // Wait for the transaction (should generate a byte)
	return spi_core_read_data(core);
}


Oc-simple-spi的初始化函数

void SpiCoreInit(int core){
	// disable spi core, and deselect sdcard
	spi_core_enable(core);
	spi_core_slave_select(core, SDDisable);

	// clear read buffer
	while (spi_core_data_avail(core)){
		spi_core_read_data(core);
	}

	// setup default clock = sysclk/128
	spi_core_clock_setup(core, 0, 0, 0x01, 0x02);

	// enable spi core
	spi_core_slave_select(core, SDEnable);
	spi_core_enable(core);
}


Oc-simple-spi的时钟速率切换函数

void SetSDClockInitRate(int core){
	spi_core_disable(core);

	// set sdcard clock = sysclk/128
	spi_core_clock_setup(core, 0, 0, 0x01, 0x02);

	spi_core_enable(core);		
}

void SetSDClockTransferRate(int core){
	spi_core_disable(core);

	// set sdcard clock = sysclk/2
	spi_core_clock_setup(core, 0, 0, 0x00, 0x00);

	spi_core_enable(core);
}


以上那些函数都和具体的oc-simple-spi core相关，可以参考这个core的specs来看

SD驱动的初始化函数，这个函数用于下一节提到的在移植znFat时需要驳接的SD卡复位函数

unsigned char SDReady(void){	
	SDReset();
	SDCheckVersion();
	SDGetAddrMode();
	return SDInit();
}


好，没了，驱动写到这里就OK了，下节根据znFat的移植教程移植这个文件系统
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