STM32與SD卡通信分層思考

　　最近做了一些STM32">STM32和SD卡通信的一些思考，一直以來SD的驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用困擾了我很久，寒假的時(shí)候看到SD簡(jiǎn)化版物理層協(xié)議的時(shí)候就傻掉了，看到SD的驅(qū)動(dòng)快3000行的代碼也動(dòng)搖了。這幾天幾種地看了一下SD卡的相關(guān)內(nèi)容，總結(jié)了一些體會(huì)，感覺也沒有那么恐怖了。我決定從分層上來討論SD的驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用，因?yàn)檫@樣可以構(gòu)建一個(gè)清晰的邏輯，且不知哪位計(jì)算機(jī)大師曾說過：一切計(jì)算機(jī)問題都可以用分層的方法來解決。

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

　　1)驅(qū)動(dòng)層

　　驅(qū)動(dòng)層，對(duì)應(yīng)到ST的庫，就是stm32f10x_sdio.c/.h這個(gè)兩文件。其實(shí)使用任何一個(gè)STM32的外設(shè)，只要用庫函數(shù)都離不開這一對(duì)互相對(duì)應(yīng)的.c/.h文件。對(duì)于SDIO外設(shè)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(shí)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(qū)動(dòng)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(gè)SD驅(qū)動(dòng)的核心代碼。其實(shí)，如果對(duì)于SD的要求不高，可以直接在這一層上面進(jìn)行文件操作，只是沒有文件系統(tǒng)操作起來實(shí)在不便。之所以叫物理層是因?yàn)檫@一部分的代碼主要參考了“SD卡物理層簡(jiǎn)化協(xié)議”這樣一個(gè)東西。這個(gè)協(xié)議規(guī)定了控制器對(duì)SD卡操作的各種指令的格式和操作時(shí)序。這一層對(duì)應(yīng)了源代碼中的sdio_sdcard.c/.h這兩個(gè)文件，那么它主要實(shí)現(xiàn)了什么功能呢?這一層最重要的一個(gè)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(shí)別、卡初始這三個(gè)重要步驟，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)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(gè)子函數(shù)的實(shí)現(xiàn)則是通過STM32內(nèi)置的SDIO控制器發(fā)送CMD命令完成，這個(gè)命令的發(fā)送要嚴(yán)格遵守SD協(xié)議的流程圖，而且要及時(shí)進(jìn)行標(biāo)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(gè)結(jié)構(gòu)體完成的。舉個(gè)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(gè)結(jié)構(gòu)體包含了五個(gè)參數(shù)，從上至下分別控制的是：參數(shù)、命令索引、響應(yīng)格式、是否等待、硬件流控制。填寫了五個(gè)結(jié)構(gòu)體也就也就配置好了一個(gè)CMD命令格式，使用SDIO_SendCommand()函數(shù)發(fā)送命令即可。當(dāng)然，這一層還包含了一些其他外設(shè)的初始化——NVIC(配置中斷向量?jī)?yōu)先級(jí))、GPIO(配置了SD插槽的IO口)、DMA(使用DMA模式傳輸)?？偨Y(jié)一下這部分就是主機(jī)(STM32)用CMD命令控制了SD卡，所以說在這一層上就已經(jīng)可以直接調(diào)用函數(shù)來進(jìn)行初始化、讀寫操作了。那么為什么又會(huì)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(gè)SD卡，現(xiàn)在普通的8個(gè)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(zhǎng)度等等，這些事情本來就是計(jì)算機(jī)可以完成的，所以人們就發(fā)明了文件系統(tǒng)這么個(gè)東西，用來管理大容量?jī)?chǔ)存設(shè)備，在文件系統(tǒng)之上來進(jìn)行操作，整個(gè)格局就顯得很大了，也更高端大氣上檔次，否則調(diào)用個(gè)文件就要寫個(gè)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(gè)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(yīng)用函數(shù)，封裝好了由開發(fā)人員自由調(diào)用，可以說也是承上啟下的關(guān)鍵代碼。而且很幸運(yùn)的是已經(jīng)有人替你寫好了這個(gè)代碼的絕大部分，你只需要進(jìn)行適量的修改就能為你所用，搭建起一個(gè)文件系統(tǒng)來。FATFS就是在一個(gè)很遙遠(yuǎn)的地方的好心人已經(jīng)替你寫好的東西，這東西通用性很強(qiáng)，與驅(qū)動(dòng)層完全脫離，留下了一些接口函數(shù)，往哪個(gè)平臺(tái)上移植，就填寫相應(yīng)的接口函數(shù)即可。這個(gè)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(duì)應(yīng)的ff.c/.h文件由于也是很遙遠(yuǎn)的大神編寫的，參透不能。故在此不講怎么實(shí)現(xiàn)。

　　4)應(yīng)用層

　　這一層應(yīng)該是硬件開發(fā)人員發(fā)揮的一層，因?yàn)閷?duì)應(yīng)的平臺(tái)不同，這一層的接口函數(shù)填寫就完全不同。應(yīng)用層就是由上一層(文件系統(tǒng)層)留下的各種接口構(gòu)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(shí)除了留下了函數(shù)名，還留下了參數(shù)以及參數(shù)對(duì)應(yīng)的功能和格式。幫助文件中有對(duì)應(yīng)接口函數(shù)要實(shí)現(xiàn)的功能，其實(shí)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(gè)接口函數(shù)要實(shí)現(xiàn)讀盤功能，就得調(diào)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(diào)用參數(shù)要一致就行，這個(gè)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(biāo)志位。

　　至此，SD的操作函數(shù)就已經(jīng)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(diào)用它。

　　SD驅(qū)動(dòng)還有很多問題沒有搞清楚，之前只是對(duì)著源碼單步調(diào)試，看了看功能實(shí)現(xiàn)過程，接下來就準(zhǔn)備動(dòng)手移植文件系統(tǒng)試試了，希望能成功。SD驅(qū)動(dòng)做起來還是很有意思的，通過它與其他外設(shè)，比如MP3模塊或液晶屏模塊連接可以實(shí)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(chǎn)品的時(shí)候沒想到想聽首歌看張圖這么復(fù)雜，從0101的最原始編碼到我們看到聽到的模擬信號(hào)經(jīng)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。