Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2013
Михаил Русских
Приводится краткая информация о SD-картах, даются основы принципа работы шины SD, поясняется порядок использования драйвера stm324xg_eval_sdio_sd, предназначенного для упрощения связи микроконтроллеров семейства STM32 с SD-картами
Некоторые встраиваемые системы должны иметь возможность хранения больших объемов информации. Например, регистраторы различных физических величин и параметров (ток, напряжение, температура, географические координаты) должны сохранять полученные с датчиков показания на определенном носителе, который впоследствии можно было бы извлечь из устройства и подключить к компьютеру для просмотра данных в удобном для пользователя виде. Для решения такой задачи наиболее очевидным кажется использование USB флеш-накопителей. Они широко распространены на рынке и позволяют хранить большие объемы информации. Но для некоторых малых встраиваемых систем первостепенным фактором является компактность, и габариты этих накопителей могут оказаться чрезмерными. Кроме того, не все микроконтроллеры оснащены модулем USB, и разработчик системы может довольно долго разбираться с USB-стеком, что может увеличить время работы над проектом. В связи с этим хорошей альтернативой USB является использование SD-карт, которые очень компактны и позволяют обмениваться данными с помощью распространенного интерфейса SPI или специального интерфейса для SD-карт.
Карты памяти SD (Secure Digital) разработаны, в основном, для применения в портативных устройствах. Сегодня на рынке существует большое количество моделей, предоставляемых такими компаниями как SanDisc, Toshiba, Panasonic, и способных записывать с зависящей от класса скоростью данные объемом от 8 МБ до 2 ТБ. SD-карты, в отличие от MMC-карт, помимо обычной области хранения данных имеют специальную защищенную область, которая недоступна обычному пользователю. Для того чтобы устройство смогло прочитать записанную на SD-карту информацию в виде файлов, эта карта должна иметь определенную файловую систему. Наиболее предпочтительной в данном случае является система FAT, поскольку количество циклов записи/чтения для SD-карт ограничено, а системы вроде NTFS и ext являются журналируемыми, то есть предполагающими частые опросы.
 |
|
| Рисунок 1. | Расположение и нумерация выводов SD-карт. |
Передача и прием данных осуществляется по интерфейсу SPI или по шине SD. На Рисунке 1 показано расположение выводов SD-карт различных типов, а в Таблице 1 представлено функциональное назначение этих выводов.
| Таблица 1. | Функциональное назначение выводов SD-карт | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Хотя с помощью SPI организация связи хост-контроллера с картой не вызывает затруднений, все же шина SD предоставляет больше возможностей и позволяет пересылать информацию с большей скоростью за счет наличия четырех линий передачи данных. Поэтому ниже более подробно рассмотрим именно этот способ работы с SD-картой.
Передача данных по шине SD
Связь с SD-картой осуществляется по 6 информационным линиям: 4 линиям данных (DAT0, DAT1, DAT2, DAT3), линии синхронизации (CLK), линии передачи команд (CMD). При подключении к контроллеру линии данных и линия передачи команд должны быть подтянуты к питанию, как показано на Рисунке 2.
 |
|
| Рисунок 2. | Подключение SD-карты к микроконтроллеру. |
Запись и чтение данных выполняются поблочно. Обычно блок состоит из 512 байтов. Передача данных и служебной информации основана на модели взаимодействия «команда-ответ». Перед передачей или приемом данных хост-контроллер должен отправить соответствующую команду по линии CMD. По этой же линии от SD-карты должен прийти ответ, после которого может быть осуществлено требуемое действие. Стандарт SD поддерживает присутствие нескольких ведомых на шине, в таком случае хост-контроллер может посылать команды широковещательно. Команда имеет четкую структуру, состоящую из 48 бит: 1 стартовый бит, 1 бит передачи (установлен в 1), 6 бит для индекса команды, 32 бита для аргумента, 7 бит для контрольной суммы и 1 стоповый бит. Ответ может иметь такую же 48-битную структуру (в этом случае бит передачи установлен в 0) или состоять из 136 битов (т. н. формат длинного ответа): 1 стартовый бит, 1 бит передачи (установлен в 0), 6 зарезервированных битов, 127 битов содержимого регистров CID (Card Identifiction Register) или CSD (Card Specific Data Register) и контрольной суммы, 1 стоповый бит.
В начале работы с картой хост-контроллер перезагружает карту с помощью команд GO_IDLE_STATE (CMD0) и IO_RW_DIRECT (CMD52). Полный список команд с описанием можно найти в [1] (приложение A). После перезагрузки карта восстановит свои настройки по умолчанию, и ее адрес будет равен RCA = 0x0001. Если к хосту подключено несколько карт, то с помощью команды SET_RELATIVE_ADDR (CMD3) он задает каждой карте собственный адрес. Также в начале работы выполняется проверка поданного на карту напряжения. Напряжение карты должно быть в строго установленном диапазоне от 2.7 до 3.6 В. В связи с этим хост-контроллер с помощью команды SEND_OP_COND (CMD1 или ACMD41) обязан узнать текущее напряжение на карте и прекратить с ней работу, если оно не входит в требуемый диапазон. Таков общий принцип инициализации карты, для выполнения которой, в зависимости от типа карты (MMC, SD, SD I/O), могут использоваться другие команды и выполняться дополнительные шаги, поэтому при реализации низкоуровневого интерфейса нужно внимательно прочитать документацию на карту и изучить команды CMD.
Во время записи хост передает карте один или несколько блоков, используя команду WRITE_BLOCK (CMD24) или WRITE_MULTIPLE_BLOCK (CMD25), соответственно, при этом в конце каждого блока хост записывает контрольную сумму. Карта, запись данных для которой разрешена, всегда будет в состоянии принять блок(и), но если контрольная сумма не совпадет, то карта сообщит об ошибке и не запишет текущий блок в свою память, а в случае пакетной передачи следующие блоки будут проигнорированы.
Передать информацию хосту, то есть выполнить чтение, также можно одним блоком с помощью команды READ_SINGLE_BLOCK (CMD17) или пакетом из нескольких блоков с помощью команды READ_MULTIPLE_BLOCK (CMD18). В случае пакетной передачи хост может прервать чтение в любое время, отправив команду STOP_TRANSMISSION (CMD12). Если в ходе передачи нескольких блоков внутренний контроллер карты зафиксирует ошибку, то он остановит передачу данных хост-контроллеру, но оставит карту в режиме передачи данных. В таком случае хосту придется принудительно завершить чтение с помощью команды CMD12, при этом в ответе на эту команду карта сообщит об ошибке чтения.
Организация правильной работы шины SD является достаточно трудоемким процессом, поскольку помимо общих ситуаций, описанных выше, необходимо предусматривать различные нюансы в поведении карты и реализовывать дополнительные обработчики ошибок. Поэтому наиболее рациональным решением будет использование специальных библиотек, позволяющих разработчику не вдаваться в подробности передачи данных на аппаратном уровне и существенно сократить время разработки. Одной из таких библиотек, о которой пойдет речь ниже, является библиотека-драйвер stm324xg_eval_sdio_sd для популярных микроконтроллеров STM32, позволяющая существенно упростить работу с модулем SDIO, предназначенным для взаимодействия с SD-картами.
Драйвер stm324xg_eval_sdio_sd
Этот драйвер представляет собой библиотеку функций, с помощью которых можно реализовать высокоуровневый интерфейс для обмена данными с SD-картой. Драйвер поставляется для работы с отладочной платой STM324VG [2] (UtilitiesSTM32_EVALSTM3240_41_G_EVAL), но после изменения функций, связывающих эту библиотеку с низкоуровневым интерфейсом SDIO он может функционировать со многими микроконтроллерами семейства STM32, в составе которых имеется модуль SDIO. Из предыдущего предложения следует, что к проекту должны быть подключены файлы из стандартной библиотеки Standard Peripheral Library, обеспечивающие функционирование модуля SDIO на низком уровне. Например, для микроконтроллеров серии STM32F4xx это будут файлы stm32f4xx_sdio.c и stm32f4xx_sdio.h.
Перед использованием функций драйвера программист должен связать этот драйвер с аппаратной частью, то есть настроить линии модуля SDIO. Для этого ему нужно в основном файле своей программы main.c создать функции SD_LowLevel_Init() (для включения модуля SDIO) и SD_LowLevel_DeInit() (для отключения модуля SDIO), в которых необходимо выполнить конфигурирование этих линий. Если программист желает использовать модуль прямого доступа к памяти для увеличения скорости работы с SD-картой, то ему также нужно будет создать функции SD_LowLevel_DMA_TxConfig() и SD_LowLevel_DMA_RxConfig(), отвечающие за передачу и прием данных с помощью модуля ПДП. В качестве примера инициализации четырех указанных функций можно взять код, имеющийся в файле stm324xg_eval.c из [2] (UtilitiesSTM32_EVALSTM3240_41_G_EVAL).
Теперь рассмотрим основные функции для работы с SD-картой, предоставляемые этим драйвером. Для того, чтобы инициализировать карту, нужно вызвать функцию SD_Init(), которая настраивает модуль SDIO, обращаясь к SD_LowLevel_Init(), проверяет тип SD-карты, получает служебную информацию из регистров CID и CSD, задает скорость передачи данных (по умолчанию 24 МГц) и устанавливает ширину шины (4 бита). Прочитать данные, полученные с карты, можно с помощью функций SD_ReadBlock() (для чтения одного блока) и SD_ReadMultiBlocks() (для чтения нескольких блоков). Чтобы записать данные на карту, используют функции SD_WriteBlock() (для записи одного блока) и SD_WriteMultiBlocks() (для записи нескольких блоков). Эти функции чтения и записи принимают три аргумента: buffer (переменная-буфер, в которую должны помещаться данные для чтения и записи), address (адрес ячейки памяти SD-карты) и block_size (всегда 512, поскольку эти функции работают только с блоками длинной 512 байтов). Для стирания определенной области памяти карты имеется функция SD_Erase(). В качестве аргументов она принимает startaddr и endaddr. В первом указывается адрес ячейки памяти, с которой начнется стирание, а во втором – адрес ячейки, на которой стирание будет завершено.
Передача данных между модулем SDIO и памятью микроконтроллера может осуществляться как обычным путем через центральный процессор, так и через блок прямого доступа к памяти. Для выбора необходимого режима нужно в файле stm324xg_eval_sdio_sd.h раскомментировать либо строчку #define SD_POLLING_MODE (обычный режим), либо строчку #define SD_DMA_MODE (режим ПДП). После любой операции записи или чтения необходимо с помощью функции SD_GetStatus() проверять, завершила ли карта текущую операцию, и готова ли она к приему или отправке новых данных. Если эта функция вернула значение SD_TRANSFER_OK, то передача завершена успешно, возврат SD_TRANSFER_BUSY означает, что канал передачи занят, а возврат SD_TRANSFER_ERROR сообщает об ошибке передачи. Все эти значения определены в структуре SDTransferState, записанной в stm324xg_eval_sdio_sd.h. Если передача информации выполнялась через блок ПДП, то дополнительно нужно проверять, завершил ли контроллер ПДП все операции по пересылке данных. Это делается с помощью функции SD_ReadWaitOperation(). Также стоит отметить, что передача через блок ПДП завершается прерыванием, поэтому программисту необходимо организовать вызов функции SD_ProcessIRQ() в обработчике прерываний модуля SDIO SDIO_IRQHandler() и вызов функции SD_ProcessDMAIRQ() в обработчике прерываний DMA2 DMA2_Streamx_IRQHandler().
Для лучшего понимания принципа работы драйвера stm324xg_eval_sdio_sd можно воспользоваться рабочим примером из папки SDIOSDIO_uSDCard [2] (ProjectSTM32F4xx_StdPeriph_ExamplesSDIO). С помощью этой тестовой программы можно выполнить стирание определенной области памяти карты, запись данных по определенному адресу, чтение данных по этому же адресу с последующим сравнением отправленной и принятой информации. Идентичность буфера приема и буфера отправки является свидетельством того, что модуль SDIO, шина передачи информации и SD-карта функционируют нормально.
Таким образом, можно сказать, что SD-карты являются достойными конкурентами USB флеш-накопителей, когда речь заходит о проектировании малых встраиваемых систем, требующих хранения больших объемов данных. Передавать информацию с карты и на карту можно с помощью интерфейса SPI или по шине SD, которая разработана для этих целей и обеспечивает высокую скорость передачи. Реализация связи с картой существенно упрощается при использовании специальных драйверов, облегчающих работу с аппаратной частью и предлагающих программистам простые в использовании функции. Но, к сожалению, записанные в произвольном порядке данные не будут восприняты какой-либо операционной системой, например, Windows, поэтому в следующей части будет рассмотрен порядок работы с SD-картой, имеющей файловую систему FAT.
Список источников
