蔡军10810032刘明福基于STM32的SD卡设计.docx
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蔡军10810032刘明福基于STM32的SD卡设计
密级：
学号：
108205010032
本科生毕业论文（设计）
基于STM32的SD卡设计
学院：
信息工程学院
专业：
电子信息工程
班级：
08电子信息工程本
（1）班
学生姓名：
刘明福
指导老师：
蔡军
完成日期：
2012.5.20
学士学位论文原创性申明
本人郑重申明：
所呈交的设计（论文）是本人在指导老师的指导下独立进行研究，所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。
本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。
学位论文作者签名（手写）：
签字日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权江西科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
本学位论文属于
保密□，在年解密后适用本授权书。
不保密□。
（请在以上相应方框内打“√”）
学位论文作者签名（手写）：
指导老师签名（手写）：
签字日期：
年月日签字日期：
年月日
摘要
SD卡（SecureDigitalMemoryCard）中文翻译为安全数码卡，是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛地于便携式装置上使用，例如数码相机、个人数码助理（PDA）和多媒体播放器等。
SD卡由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制。
大小犹如一张邮票的SD记忆卡，重量只有2克，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及很好的安全性。
由于互联网的飞速发展，各种移动设备的计算能力得到大幅提升，与外界数据通信交换量越来越大，通信的安全性以及数据的真实性尤为重要。
正是因为SD卡具有如此多的优点，才被人们广泛的应用。
根据SD卡的各种优点和特性，而在STM32平台上对其进行开发设计，着重于加强SD卡的数据通信的速度以及与嵌入式产品的通信更加方便，主要对SD卡通信时采集的电压、电流、功率及时间监测及补偿。
包含一些基本的通信及SD卡驱动实现和分析，本文基于STM32就SD卡的硬件和软件作研究设计。
最后，对SD卡课题研究进行阶段性总结和对后续工作进行展望。
关键词：
SD卡；移动存储；STM32；SPI接口
ABSTRACT
SDcard（SecureDigitalMemoryCard）SecureDigitalcardtranslatedintoChinese,isaflashmemorydevicebasedonanewgenerationofsemiconductormemorydevices,itiswidelyusedinportabledevicessuchasdigitalcameras,personaldigitalassistant（PDA）andmultimediaplayers.SDcardfromJapanPanasonic,ToshibaandSanDiskCorporationintheUnitedStatesinAugust1999jointlydeveloped.LikeapostagestampsizeSDmemorycard,weightonly2grams,butithashighmemorycapacity,fastdatatransferrates,greatflexibilityandgoodmobilesecurity.AstherapiddevelopmentofInternet,computingpowerofmobiledeviceshasincreasedsubstantially,withtheoutsideworld,increasingtheamountofdatatrafficexchange,trafficsafetyandauthenticityofdataisparticularlyimportant.
ItispreciselybecauseoftheSDcardhassomanyadvantages,wasonlyawiderangeofapplications.ThevariousadvantagesandfeaturesoftheSDcard,whileintheSTM32platform,itsdevelopmentanddesign,focusonstrengtheningtheSDcarddatacommunicationspeedandmoreconvenientcommunicationsandembeddedproducts,mainlycollectedintheSDcardtocommunicatevoltage,current,powerandtimemonitoringandcompensation.ContainssomebasiccommunicationandSDcarddriverimplementationandanalysis,SDcardhardwareandsoftwaredesignbasedontheSTM32.
Finally,thestagesummaryandoutlookonthefollow-upresearchoftheSDcard.
KeyWords:
SDcard;RemovableStorage;STM32;SPIinterface
第一章绪论
1.1课题背景及意义
21世纪是一信息传递及应用高速的时代，信息在人类社会活动中已经必不可缺，使用嵌入式系统的电子产品已经在人们的日常生活中广泛普及应用。
其中人们日常生活中最经常接触使用到的数码相机、手机、MP3、MP4、多媒体播放器等，其信息数据的存储大部分都是使用的SD卡。
所以SD卡在嵌入式上应用有着十分大市场空间。
SD卡拥有轻小、高存储容量、高速的传输速率以及很高的安全性，更换和编程也相当方便。
根据SD卡胡特性，它已然成为非常多数码产品的外部应用储存的第一选择目标。
ALIENTKEMiniSTM32开发板就带有SD卡接口，利用STM32自带的SPI接口，最大通信速度可达18Mbps，每秒可传输数据2M字节以上，对于一般应用足够了。
1.2SD卡简介
SD卡——SecureDigitalMemoryCard，中文意思是安全数码卡，是一种可移动的存储设备，面积和体积都很小，质量也够轻。
但记忆性好，传输的速度很快，通信非常方便，移动性好，安全性能也十分高。
所以很多数码产品都是用的它，有数码相机、手机、还有一些媒体播放器都是非常的适用。
加上由于互联网的飞速发展，各种移动设备的计算能力得到大幅提升，与外界数据通信交换量越来越大，通信的安全性以及数据的真实性尤为重要。
现在用于数据储存的产品有很多，如U盘和SD卡等。
但是由于各自的优点不同，比较一下的话，还是SD卡适合用于嵌入式应用，非常大的容量，有些的产品达到了32GB以上的容量，而且有着标准的大小。
21世纪是一信息传递及应用高速的时代，信息在人类社会活动中已经必不可缺，使用嵌入式系统的电子产品已经在人们的日常生活中广泛普及应用。
其中人们日常生活中最经常接触使用到的数码相机、手机、MP3、MP4、多媒体播放器等，其信息数据的存储大部分都是使用的SD卡。
SD卡在24mm×32mm×2.1mm的体积内结合了〔SanDisk〕快闪记忆卡控制与MLC（MultilevelCell）技术和Toshiba（东芝）0.16u及0.13u的NAND技术。
SD卡的通信模式有2种，如下：
a.SD卡模式；
b.SPI模式；
主机可以选取两种模式中的任何一种来与SD卡进行通信。
其中SD卡所允许的最大传输线数是四线，所以SPI模式与SD卡模式两者的传输速率相比的话较多，所以SPI模式传输数据的速率非常快但要比SD卡模式传输数据的好戏速率要慢了好多。
图1.2.1SD卡物理方面的特性示例
1.3SD卡的应用
从SD卡进入到人类的社会活动的时间来看，SD卡的发展是非常的短暂而又快速，可见人们对其应用是相当的依赖。
使用SD卡的电子产品也是非常的多数不胜数，时下已经成为最为通用的数据存储卡。
质量轻，尺寸小,传输速度快，安全性能高。
SD卡拥有轻小、高存储容量、高速的传输速率以及很高的安全性，更换和编程也相当方便。
正是因为SD卡有着如此多的优点，将它应用到嵌入式开发中来，将是不二的选择。
图1.3.1实际应用图例
1.4安全数码卡所研究的内容以及特色
本文基于STM32就SD卡硬件和软件的研究设计加以介绍，分析系统软硬件的选择，以及其开发环境的调试和应用。
将SD卡插入STM32开发板，SD卡与STM32进行数据交换，要将SD卡外部驱动，将外部储存卡与STM32联系起来。
开发板对成为外部储存空间的SD卡进行读写，把读写命令解析并传送到SD卡中，从而实现开发板对外部储存卡的操作与控制。
重点研究设计以下内容:
1、STM32的简单介绍以及在此嵌入式操作系统下所进行驱动地开发步骤；
2、对SD卡命令分析和实现；
3、对SD卡通信分析，包含SD通信模式和SPI通信模式，DMA的所有寄存器的含义和设置，及其它的一些设置；
4、基本的驱动分析及实现，SD卡的驱动实验；
5、SD卡硬件和软件的研究设计。
研究设计的特色：
通过此次的研究分析，可以更好的深入了解SD卡及STM32。
实现SD卡在STM32开发板上更好的驱动，加快SD卡与STM32之间的数据交互。
最终实现SD卡与嵌入式系统产品更加紧密的联系和应用。
第二章SD卡硬件方面的研究设计
2.1硬件读写模块
SD卡存储模式是Flash。
SD卡的卡内智能控制模块包含电源和时钟的管理、协议、算法安全、存取数据、ECC算法、处理缺陷和分析数据。
FLASH每个扇区的写寿命在10万次左右，读的次数是无限制的。
SD卡引脚分布排列顺序如下图所示：
图2.1.1SD卡引脚图
SD卡的九个引脚功能：
针脚
1
2
3
4
5
6
7
8
9
SD卡模式
CD/DAT3
CMD
VSS
VCC
CLK
VSS
DAT0
DAT1
DAT2
SPI模式
CS
MOSI
VSS
VCC
CLK
VSS
MOSI
NC
NC
表2.1.1安全数码卡引脚功能表
在STM32中，开板使用的是SPI的接口模式来进得读写，所以，本课题主要应用的便是SPI的模式。
由于SD卡内部的供电电压上升是需要一段时间，大约是64个时钟，而且需要10个时钟与SD卡同步，所以在发送CMD0之前，要发送>74个时钟。
SD卡与STM32进行数据交换，要将SD卡外部驱动，将外部储存卡与STM32联系起来。
开发板对成为外部储存空间的SD卡进行读写，把读写命令解析并传送到SD卡中，从而实现开发板对外部储存卡的操作与控制。
2.2硬件设计模块
开机之后先将进行安全数码卡的初始化，如若完成安全数码卡的初始，将会读出数据，内容是零扇区里面的。
对SD卡通信分析，包含SD通信模式和SPI通信模式，DMA的所有寄存器的含义和设置，及其它的一些设置若是没有通过初始，LCD上会显示初始化失败。
通过DS0来指示程序正在运行。
所需要的硬件资源如下：
1．SD卡。
2．STM32F103ZET6。
3．DS0（外部LED0）。
4．串口1。
SD卡和STM32的连接：
SPI1与安全数码卡通信，如下其引脚的连接定义为：
PE3:
SPI1-SPI2全双工通讯，低电平作用；
PA7：
通讯结束后跟随一个CRC校验；
PA5：
SPI1、SPI2的NSS引脚是断开的；
PA6：
SPI驱动，NSS引脚由软件设置配置；
PC12：
MOSI输出，与STM32通信；
CLK:
时钟信号；
CMD:
双向命令和响应信号；
DAT0-3:
双向数据信号；
VDD,VSS:
电源和地信号；
SD卡的总线结构是单主多从的结构，即在SD模式下允许有一个主机,多个从机或是多个卡,主机可以给从机分别地址。
总线上卡使用都是统一的时钟和电源线。
主机访问各个卡都是依照顺序来，区分不同的卡的根据是每一个卡里的CID寄存器当中都有一个已经编好的程序作为唯一的卡识别号。
SD在主机的定义下有一定的电压范围，当提供的电压在主机定义范围之外时，SD卡将处于非活动的状态，所有总线上的数据总线传输都将被忽略。
要使SD卡进入活动状态的唯一的办法是将SD卡重新上电。
SD卡的内存组织：
SD卡以一个字节作为数据读写的基本单元，根据不一样的要求来组成不一样的模块。
Block：
块的实际大小等信息是由CSD寄存器所控制的，其大小按照需求来改变，也可以将其大小固定。
Sector：
Sector对于每个设备大小都是固定的也是由CSD寄存器来存储信息的大小。
相关的擦除命令，是由几个块组成的。
WPGroup：
写保护单位。
大小包括几个块，一位决定写保护，WP对于每个设备大小都是固定的，同样将信息大小存储在CSD寄存器中。
SD卡与MCU的连接原理图如下：
图2.2.1SD卡与STM32连接电路图
硬件接口设计：
在SPI模式下，引脚1（DAT3）作为SPI片选线CS用，引脚2（CMD）用作SPI总线的数据输出线MOSI，而引脚7（DAT0）为数据输入线MISO，NSS由硬件配置，SPI2为主机，SPI1为从机，使SS输出（置位SPI_CR2SSOE位），SPI2NSS引脚复位SPI1的NSS引脚并配置SPI1为从机。
在通讯中使用DMA可以减少代码密度和执行时间，容易接收和发送数据。
利用各种硬件设备自身的特点来减小其运转开销，例如减小中断次数、利用DMA传输方式等。
安全数码卡传输给STM32，STM32和SD卡进行数据间的互换。
第三章SD卡软件设计
3.1SPI工作模式：
SPI可以同时发出和接收串行数据。
SD卡在STM32上的驱动，以及STM32的数据交换，开发板可以通过程序来获知SD卡的内容，通过命令参数来控制SD卡。
SPI2为主机，SPI1为从机，使SS输出（置位SPI_CR2SSOE位），SPI2NSS引脚复位SPI1的NSS引脚并配置SPI1为从机。
我们通常也需要最大可能地利用各种硬件设备自身的特点来减小其运转开销，例如减小中断次数、利用DMA传输方式等。
包含SD通信模式和SPI通信模式，DMA的所有寄存器的含义和设置，及其它的一些设置。
SD模式和SPI模式是安全数码卡的两个协议作为通信用的。
NSS由硬件配置，SPI2为主机，SPI1为从机，使SS输出（置位SPI_CR2SSOE位），SPI2NSS引脚复位SPI1的NSS引脚并配置SPI1为从机。
在通讯中使用DMA可以减少代码密度和执行时间，容易接收和发送数据在SPI模式下，主机只使用两根数据线和外围器件进行通讯，且每条线是单工模式，因此在速度上不如SD模式，也无法像SD模式一样实现主机连接多设备时数据线的通用。
但由于其实现简单，具有良好的设备兼容性，因此大多部设备默认的通讯协议都是SPI模式。
而STM32开发板本身具有SD卡接口，大大节省了成本。
1、SPI1-SPI2全双工通讯，通讯结束后跟随一个CRC校验。
SPI1和SPI2的数据输入端（MISO）连接在一起，SPI1、SP2的数据输出端（MOSI）连接在一起，两个SPI的时钟输入SCK连接在一起。
由于NSS管理，SPI1、SPI2的NSS引脚是断开的。
图3.1.1STM32F10XXX的SPI1-SPI2全双工通讯的典型连接
提供的固件包含SPI驱动，NSS引脚由软件设置配置SPI1为主，SPI2为从。
能够通过CRC校验，则其SPI为可靠的。
2、半双工通讯的典型连接，SPI2的MOSI和SPI2的MISO引脚连接在一起，SCK连接在一起。
SPI1和SPI2的NSS引脚连接在一起。
图3.1.2SPI1与SPI2单通讯模式半双工通讯连接
NSS由硬件配置，SPI2为主机，SPI1为从机，使SS输出（置位SPI_CR2SSOE位），SPI2NSS引脚复位SPI1的NSS引脚并配置SPI1为从机。
在通讯中使用DMA可以减少代码密度和执行时间，容易接收和发送数据。
3、SPI1与SPI2单通讯模式，SPI1的数据输出（MOSI）连接到SPI2的（MISO），时钟线连接到一起。
NSS引脚不连接，以便NSS软件管理。
图3.1.3SPI1与SPI2单通讯模式
在单通讯模式下，使用者只需要使用主机的MOSI引脚和从机的MISO引脚及CLK引脚。
3.2SD卡初始化：
初始化安全数码卡,是进行安全数码进行卡操作的前提，其流程图为。
图3.2.1流程图（安全数码卡的初始化）
附录一为安全数码卡的参考，程序。
复位：
首先是至少74个CLK，然后CS_LOW；发送CMD0（COM0：
0x400x000x000x000x000x95），收到的应答是0x01；初始化：
接着发送CMD1（COM0：
0x410x000x000x000x000xff），收到的应答应该是0x00；最后CS_HIGH。
至此，初始化完成。
3．3数据块的读写
安全数码卡读写数据块，NSS由硬件配置，SPI2为主机，SPI1为从机，使SS输出（置位SPI_CR2SSOE位），SPI2NSS引脚复位SPI1的NSS引脚并配置SPI1为从机。
首先，进行安全数码卡的初始化，安全数码卡的初始化，其过程是这样的：
1．安全数码卡初始化，及其硬件的连接：
MCU的SPI配置，IO配置；
2．上电延时（>74个CLK）；
3．复位（CMD0）；
4．查询OCR，获取供电状况（CMD58）；
5．是否使用CRC（CMD59）；
6．74个CLK，然后CS_LOW；
7．接着发送CMD1；
8．收到应答，CS_HIGH；
按照以上的步骤进行操作之后，收到的应答，初始化，初始化完成如下：
1．发送CMD24；
2．发送与接收安全数码卡响应；
3．送入相对应的特殊的指令；
4．发送数据；
5．将数据进行接收；
6．发送八个时钟之后，片选将被禁止；
访问各个卡都是依照顺序来，区分不同的卡的根据是每一个卡里的CID寄存器当中都有一个已经编好的程序作为唯一的卡识别号。
SD在主机的定义下有一定的电压范围，当提供的电压在主机定义范围之外时，SD卡将处于非活动的状态，所有总线上的数据总线传输都将被忽略。
安全数码卡的读写操作都是在经过初始化之后基于安全数码卡命令与响应完成相应的操作地，安全数码卡的读、写如下图所示，其为程序的流程图。
3．4安全数码卡软件设计
通过SD_GetCapacity函数来得到SD卡的容量，然后在液晶上显示出来，接着我们读取SD卡的扇区0，然后把这部分数据通过串口打印出来。
每6s执行一次。
源程序参照附录二（程序由C语言编写，有很好的移植性）。
此程序实现SD卡在STM32上的驱动，以及STM32的数据交换，开发板可以通过程序来获知SD卡的内容，通过命令参数来控制SD卡。
SD卡与STM32进行数据交换，要将SD卡外部驱动，将外部储存卡与STM32联系起来。
开发板对成为外部储存空间的SD卡进行读写，把读写命令解析并传送到SD卡中，从而实现开发板对外部储存卡的操作与控制。
分析系统软硬件的选择，以及其开发环境的调试和应用。
除了编程上的技巧外，为提高系统的运行效率，我们通常也需要最大可能地利用各种硬件设备自身的特点来减小其运转开销，例如减小中断次数、利用DMA传输方式等。
第四章调试与效果
4.1STM32连接原理图
图4.1.1STM32连接原理
4.2下载与调试
将附录2的代码编译成功后，将代码下载到ALIENTEKMiniSTM32开发板上，在LCD显示屏上可以看到如下图所示，则表示SD卡已经连接上STM32：
图4.2.1SD卡连接显示内容
完成以上步骤后，打开串口调试助手，可以得到从STM32开发板发送回来的数据如下图所示：
图4.2.2串口收到的SD卡扇区0内容
第五章结论与展望
SD卡应用使让人越来依赖它，可以说是已经成为人类社会生活中不可或缺的一部分，SD卡具有广阔的发展前景和市场前景。
21世纪是一信息传递及应用高速的时代，信息在人类社会活动中已经必不可缺，使用嵌入式系统的电子产品已经在人们的日常生活中广泛普及应用。
通过毕业设计，让我各方面都有了一个提升。
技术上，我更加深入了解STM32和SD卡，学到了以前没有学过的知识。
在作此毕业设计时，也有着各种各样的困难，但在老师的指导下，同学的帮助下，我克服了一个又一个的困难和解决了一个又一个的问题。
实际动手能力也有一个很大的提升，从程序的编译和设备的连接调式及仿真，都是非常考验我。
也学会了查阅并应用资料，分析能力都有一个很大的进步。
这次毕业设计是我对前所学专业的知识的一个总结和实际检验和巩固，同时帮助我在作之前一个很好的锻炼，加强了我的独立工作能力，是走向工作岗位的至关重要的一步。
此毕业设计由选题之初到准备材料到编写论文到完成论文，都暴露了我的很多不足之处，比如缺乏综合应用专业知识的能力，在一些小细节和小问题太过放松。
通过这次的学习和实践，我清楚的认识到自己的知识还很不全面，处理问题等方面都还需要一个更大的提升，做任何都要认真对待、全力以赴。
毕业将至，在我以后漫漫人生路更加要不断学习，充实和提升自己。
把活到老学到老真正运用到实际中来，也警示自己世上有太多自己不懂的地方，只有通过不停的学习和努力工作才能克服困难，走向成功。
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[10]SmartcardinterfacewiththeSTM32F101xxandSTM32F103xx.pdf
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