基于STM32的FATFS文件系统移植

基于STM32的FATFS文件系统移植

经过将近1个月的时间，终于完成了STM32是FATFS文件系统移植，说来是够艰辛的，SDIO章节是我学习cortex m3以来消耗时间最多的章节。这里说一些个人对于SDIO的看法，其实SDIO属于意法半导体公司在cortex m3内核之外（在芯片之内）添加的功能外设，完全属于意法的杰作了。关于SD卡的读写，分为SPI模式和SD模式（专用模式），这两种模式都必须遵循SD2.0协议。SPI模式控制方法相对较为简单，操作简洁，但失去了速度；SD模式控制方法相对较为复杂一点，操作繁琐，但具有高速的特点。

FATFS文件系统是一种兼容性比较高的文件管理系统，兼容

FAT32、FAT16。关于文件系统的细节，如果认真研究的话，应该会觉得作者的伟大，惊叹代码的绝妙。

我们要想移植FATFS，首先要做的是编写基于SDIO模式的SD卡底层驱动，这部份完整的驱动代码较多，大概有2000多行，但我们首先需要克服心理作用，再长的代码只要理解之后，都很简单。意法在参考手册中介绍SDIO时，上下文比较乱，其中还夹杂讲解了一些SD2.0协议，使得初学者云里雾里。因为SDIO是属于一种完全的外设接口，所以在讲解的过程中必须与实际的外设SD卡联系起来。

STM32的SDIO接口兼容性很高，可以兼容SD1.0卡、2.0卡、MMC 卡、多媒体卡等，与多媒体卡4.2支持三种不同的数据总线模式：1位、4位和8位，在8位的模式下速度可以达到48MHZ，但在SD2.0协议中只支持两种总数总线模式：1位和4位，在SDIO中存在两种状态机：命令状态机（CPSM）和数据状态机（DPSM），两者的使能信号独立，用于控制外部双向驱动器，命令是通过CMD命令线单线串行发送的，而数据是由于DATx数据线传输（1位或4位），每当CPSM发送一条命令给卡时，如工作正常的话，卡都会有与CPSM中设置响应格式相对应的响应内容（短响应与长响应），两者的细节在下面讲到。

SDIO功能分为两个部分，一个就是SDIO适配器模块，可以实现所有MMC/SD/SD I/O卡的相关功能，如时钟的产生、命令和数据的传输；还有就是AHB总线接口操作SDIO适配器模块中的寄存器，并产生中断和DMA请求信号。上面提到的数据总线的宽度为分为1位或4位（本文是针对SD2.0协议进行主要说明），在上电复位后，系统缺省为1位数据宽度——DAT0用于数据传输。SD卡或SD I/O卡可以使用两种数据宽度模式，这两种卡的所有数据线都需要设置为复用推挽模式。命令线CMD有两种操作模式：1、MMC卡V3.31或之前版本的卡在初始化时为

复用开路模式；2、SD卡或SD I/O卡或MMC V4.2在初始化时命令传输线工作在复用推挽模式。还有就是卡的时钟线（SDIO_CK），这个时钟频率对于不同的卡需要工作在不同的范围，这个我们就不细说了。SDIO的时钟可以分为两个，分为SDIO适配器时钟

（SDIOCLK=HCLK）和AHB总线时钟（HCLK/2），还有HCLK就是SYSCLK。既然提到外设接口，那就要清楚一共有几根线与主控芯片相连，分为SDIO_CK\SDIO_CMD\SDIO_D[7:0]，本文是对SD2.0卡进行论述，所以只用到了SDIO_CK/SDIO_CMD/SDIO_D[3:0]，因为SD卡不支持8线模式。

SDIO适配器主要全为5个部分：适配器寄存器模块、控制单元、命令通道、数据通道、数据FIFO。这5个部分中，不同部分使用的时钟也有不同，适配器寄存器和FIFO使用HCLK/2,控制单元、命令通道和数据通道使用的是SDIOCLK=HCLK。其实这5个部分，对于初学者来说，根本分不清有何具体区别。适配器寄存器模块包含所有系统寄存器，如用于存放状态位的SDIO_STA和清除中断寄存器SDIO_ICR，对相应寄存器写入清除中断标志（产生清除信号）；控制单元有于电源管理和卡的时钟分频设置；命令通道（CPSM）主要用于向卡发送相应的命令并从卡接收相应的响应内容，实现主机与卡之间的控制信息交互，这里就必须提到SDIO_CMD命令寄存器，这个寄存器就是负责向发送命令的，与该寄存器相配合的还有一个参数寄存器（发送命令参数）SDIO_ARG，命令寄存器中存放了命令索引（命令号）和对应命令的等待响应设置和CPSM等待中断请求设置（这个设置一般使用无等待，关闭命令超时控制，改为中断清除方式，关于这个命令超时控制就是设定了一定的时间，在这个时间之间必须得到响应，否则状态机将进入空闲状态），还有就是命令响应了，命令响应寄存器SDIO_RESPCMD用于保存接收到的响应命令索引（如命令发送正常，得到响应命令索引和发送的一致，作为一个控制命令的回应），对于一些带响应的命令（只有cmd0没有响应），都会返回一些参数（如返回卡状态寄存器、CSD、CID），这些参数保存在响应寄存（SDIO_RESPx 1--4）中，该寄存器有4个，对于命令的短响应只用到SDIO_RESP1，其他3个寄存器不用，对于命令长响应，4个寄存器都用到，其实命令本身就决定了是否需要响应和响应的类型，48位（短响应：参数只有32位）还是136位（长响应，参数只有127位）。命令通道每发送一个命令，都有相应的通道状态标志来反应当前命令通道的状态，如CMDREND（响应的CRC正确）CCRCFAIL （响应的CRC错误）CMDSENT（命令已经发出，命令指不需要响应的命令）CTIMEOUT（响应超时）CMDACT（正在发送命

令）。在我们编写SD卡底层驱动时最常用的就是这些标志了，每发送一次命令，都要观察这个标志位的情况，以便程序员了解当前卡对刚发的命令的反应。数据通道（DPSM）用于主机与卡之间的数据通信，这与CPSM中的命令信息都是一些二进制“数据”，其实数据与命令之间本质上是一样的，但只是用户或设备对这些二进制的定义不同，用于控制设备的二进制串称为命令，而用于交互一些具体信息的二进制串称为数据。DPSM可以选择数据总线宽度，如1位数据宽度是指每个时钟数据线D0有一位数据传输，而4位数据宽度是指每个时钟数据线D4_0有四位数据传输，8位宽度则一次8位数据传输喽（SD卡不能使用8位，一般用于多媒体卡），而系统缺省为1位宽度，还有一点要说明的就是命令线和数据线都是双向传输的，而时钟线是单向传输的。在使能数据发送或接收时，DPSM就是进行Wait_S或Wait_R状态，如发送FIFO中有数据，就会进行发送状态，或接收FIFO接收到开始位，就会进入接收状态。但这个等待发送或等待接收不能一直等，等待时间是有限制的，由相关寄存器SDIO_DTIMER设置，当DPSM进行等待状态（发送或接收）时，一个计数器从该寄存器中加载数据，进行倒计时，当计数到0时，将设置超时标志关进入空闲状态。数据状态机也有反应数据传输状态的标志位，发送FIFO状态标志有

TXFIFOF/TXFIFOE/TXFIFOHE/TXDAVL/TXUNDERR和接收FIFO状态标志有RXFIFOF/RXFIFOE/RXFIFOHF/RXDAVL/RXOVERR。关于FIFO这个名词，其实是像数据结构中讲到的队列一样，先进先出，称为数据缓冲区，用户操作时只需直接读取SDIO->FIFO即可。FIFO的数据传输分为块传输和流传输，一般使用块传输。这个数据缓冲区一共有32个字的空间，如流传输下接收的数据超过32个字，而用户没有读取的话，将产生上溢错误。在与SD卡进行数据通信时，为保证数据的高速传输，我们一般使用DMA来将FIFO中的数据搬到内存中，而不需要人为的去读取。SDIO的数据通道是半双工通信，不能同时接收和发送，有两个标志位表示当前数据通道的状态：TXACT和RXACT，前者标志数据通道在发送FIFO，后者标志数据通道正在接收数据，这两个标志位是互斥的。到这里SDIO适配器已经基本了解了，就需要对SD卡通行操作了。

上述内容，作为初学者想真正理解，还是需要在下面对SD卡进行实际操作时才能真正了解其中的含义。

首先应设置与SD相连的GPIO的模式，使用SD卡的话，就需要设置CK/CMD/DAT3/DAT2/DAT1/DAT0为复用推挽输出，开启相应端口的时钟和SDIO时钟，如使用DMA的话，还需开启DMA2时钟。接下来就