【ESP-IDF】ESP32S3用SPI读写 MicroSD/TF卡（二）读写正文数据_esp32s3 sd卡

        上一篇讲了SPI设置和SD卡初始化，这篇讲SD卡数据内容的读和写，也是在物理驱动层这一层。我的细节应该是足的了，希望能帮到大家，有任何疑问欢迎留言。

        SPI读写SD卡的系列文章：

【ESP-IDF】ESP32S3用SPI读写 MicroSD/TF卡（一）SD卡初始化_esp sd spi-CSDN博客

【ESP-IDF】ESP32S3用SPI读写 MicroSD/TF卡（三）移植FATFS文件系统-CSDN博客

        SD卡官方手册实在.....太不科学了，像你画我猜游戏，一副大概的图让你去猜中间要填补什么信息。先来吐槽一下官方手册的含糊地方：

        读数据过程，command和response之间要等多少个dummy？response与data block之间要等多少个dummy?实际上每个data block(512字节的）前面会有个start block token，写时序的图展示出来了，但读时序的图漏画呢！写时序的data response后面还有busy，什么东西？这些官方手册都含糊带过。而CRC，明明在SPI模式是不用验证的，官方手册却浓墨重彩写。无力~~我这篇将填这些坑。

一、要用的指令和参数

        本篇要用到的指令和参数如下：

#define CMD17	0x5100000000FF  //读1个block 512bytes
#define CMD18   0x5200000000FF  //读多个blocks
#define CMD24   0x5800000000FF  //写1block
#define CMD25   0x5900000000FF	//写多blocks
#define CMD13	0x4D00000000FF	//写存储后查看卡status

       要注意读和写指令中间的4字节0要替换为32bits SD卡储存地址，关于这个地址，不同容量的卡会有不同的定义，很容易踩坑。这篇文章用的是SDSC卡，地址值就是byte address，1字节占一个地址值。

        要用到的response有：

        （1）R1：响应CMD17、CMD18，响应结果0x00表示读\写指令正确接收；

        （2）R1b：这个官方手册没讲，仅用于写和擦除这两个指令。使用CMD24、CMD25写指令过程中，data_response_token（看下图2）后面还要接收来自SD卡的忙状态信息，这个信息就是R1b，1字节长度。只有两种结果，0x00表示SD卡在忙着烧写，0xFF则表示忙完了。

        （3）R2：CMD13命令的response，不是刚需，可以不用。写完数据后，除了用上面的token判断写入是否成功、sd卡忙不忙外，最准确应该是另外发CMD13命令，响应为R2，2字节。第1字节跟R1一样，第2字节为判断卡片的status，若R2返回0x0000，表示成功传输，卡片不忙，也没有写入错误发生。

        图1：data response token是一个专用于写数据过程的反馈结果，返回结果0x05表示成功写入，其他结果出现的可能性较低，毕竟SPI模式不用验证CRC。如果地址写错，会在R1就反馈了，不用在这反馈（看下图2）。start block token则是数据正文的起始标志，写和读数据过程都需要。

二、写时序（SPI模式）

        本文读和写都是单个block，512bytes，暂时不做多block连续读写。

        SDSC卡（2GB以下）可以定义一个block是多少字节，其他容量的卡都规定了一个block是512 bytes。我们就不搞特殊，都是读写单个block，512字节。即使我们仅想写入4个"aaaa"，也要将aaaa硬编入一个512字节数组中再整个数组写到SD卡上。每次写入的地址一定是一个block的起始地址，不能从block的中间位置开始写，写入的数据长度一定是512bytes，这叫做block对齐。我这儿讲的都是纯SD卡协议，不是FATFS文件系统的要求。

        经过大量实践，写数据应该按照下表顺序操作：

        看图2，在主机MISO线接收到R1 response后，主机MOSI线要紧接着发0xFE token表示开始写正文了，中间不能有空隙，图2也很细节表示这个位置是没缝隙的。

        发完0xFE token后也不能留缝隙要紧接着发512byte正文数据+2byteCRC。

        看图2，data block之后跟data_response之间貌似有很长的间隙，而我这边实践情况是没有缝隙，SD卡马上就响应data token=0x05了，表示data accepted了，没有地址错误或者CRC错误。地址错误我会在后面讲。CRC是不会错误的，因为SPI模式不检查CRC。收到0x05这个data_response后，看图2，后面应该还要继续轮询SD卡是否忙完。官方手册说应该不断发dummy去查询卡片是否完成了烧写的programming过程，我发到第6个dummy就成功了，前5个都是返回0x00表示忙，第6个返回0xFF表示烧写完成。写数据的操作结束！ 

        注意表格标红的这个6字节dummy不是固定的，要看你SD卡轮询多少次。

        监视器结果如下：

2024-06-19 15:19:29 CMD24开始写。
2024-06-19 15:19:29 CMD24 has sent.response is:0x00
2024-06-19 15:19:29 token wait1.Token value:05
2024-06-19 15:19:29 data token correct.
2024-06-19 15:19:29 token wait2.Token value:00
2024-06-19 15:19:29 token wait3.Token value:00
2024-06-19 15:19:29 token wait4.Token value:00
2024-06-19 15:19:29 token wait5.Token value:00
2024-06-19 15:19:29 token wait6.Token value:00
2024-06-19 15:19:29 token wait7.Token value:FF
2024-06-19 15:19:29 card status R2 is:
2024-06-19 15:19:29 response is:0x00 00
2024-06-19 15:19:29 Write succeed!

        完事后我还发了个CMD13查询SD卡状态，收到R2结果为0x00 00，没任何错误了，数据稳稳写入SD卡的数据储存区了。

        我写512个0x61到SD卡第6簇，0x61表示ascii字符“a”。关于怎样确认写指令的地址参数问题，后面会重点讲。虽然内容写进去了，但用电脑读SD卡时发现里面为空，看不到任何文档存在，这时就知道FATFS文件系统的作用了，因为还需要修改FAT表和根目录才能在FATFS系统显示一个完整的文档。电脑会根据FATFS的规则在默认地方去搜寻文件目录，找不到目录的话，哪怕内容存在，也会报告文档不存在。

三、读时序

        刚才写进去的内容，我们现在就可读出来，看是否写正确了。

        读比较简单。        

       

        看图4，command与response中间隔着一个dummy间隙，这儿老生常谈了。收到response R1结果是0x00，表示SD卡明白了读指令。

        response与data_block之间比较玄，不知隔着多少个dummy，要主机不断发dummy过去问SD卡是否准备好发出数据，直到SD卡发回来的token为0xFE，表示512bytes data block的起始标志。我实践情况是发10个dummy，这个你们自己看着来。

        主机收到0xFE后，紧接着没有间隙开始接收514字节正文。收完后把CS拉高，读数据结束！

        监视器结果如下：

2024-06-19 14:28:27 CMD17开始读。
2024-06-19 14:28:27 CMD17 has sent.response is:0x00
2024-06-19 14:28:27 wait tokenFF
2024-06-19 14:28:27 wait tokenFF
2024-06-19 14:28:27 wait tokenFF
2024-06-19 14:28:27 wait tokenFF
2024-06-19 14:28:27 wait tokenFF
2024-06-19 14:28:27 wait tokenFF
2024-06-19 14:28:27 wait tokenFF
2024-06-19 14:28:27 wait tokenFF
2024-06-19 14:28:27 wait tokenFF
2024-06-19 14:28:27 wait tokenFE
2024-06-19 14:28:27 read token correct.read data is:
2024-06-19 14:28:27  a b c d a a a a a a a a a a a a 
2024-06-19 14:28:27 a a a a a a a a a a a a a a a a
2024-06-19 14:28:27 a a a a a a a a a a a `  a a a

       图5， 再用电脑打开SD卡，看里面的文档内容，果真如监视器发回来的读数据结果一样。

四、读和写数据小结

（一）写和读的对比        

        写的过程主机MISO线要等SD卡3次回复，第一次是关于CMD24指令配套的R1；第二次是写完514字节data_block后等SD卡回复token 0x05 表示写入正确；第三次是等SD卡烧写编程结束，等候的结果从0x00忙状态切换到0xFF就完成了。

        读的过程主机发完CMD17后，其实MOSI线一直发送dummy就是了，MISO线主机等SD卡两次回复，一次是R1，第二次是token 0xFE表示数据正文起始标志。

（二）地址参数：物理地址和逻辑地址

        物理地址就是SD卡硬件上真正的地址，SD卡厂家出厂就造好的。哪怕没有文件系统存在，物理地址也存在，SD卡是不懂逻辑地址的。逻辑地址就是人为经过文件系统软件划分的地址，两者之间存在一个偏移offset。

        SD卡只认物理地址。CMD17或CMD24的argument部分32bits共4字节，就是填入SD卡读或写的起始物理地址。用4bytes来表示一个SD卡物理地址值，32bits表示这种SD卡一共可以存储4096MB个地址，每个地址存1byte，再多的话就不够地址来寻了。写或读都是从该地址开始顺序往地址值增长的方向读写。

        实例，我的CMD24完整指令是：0x580041E800FF，数据内容在SD卡0x0041E800的物理地址开始写入。

        FAT32系统关于地址的情况会有不同，因为FAT32系统适配大容量SDHC以上的SD卡，SD卡认的地址不是字节地址，而是簇的号码，如果按照上述寻址方法，会错误，这个留待下篇文章再讲。

（二）winhex软件和FATFS文件系统

       FATFS文件系统就从SD卡0x00000000的地址上开始装载，FATFS文件系统默认从0地址开始读文件系统的重要信息，包括目录、文件大小、文件名、文件内容映射等放在SD卡最前面的地址中，以此来组织数据的文件化。官方库中mount()这一步就是要根据我上面的SD卡写协议方法将FATFS文件系统从0x000000000卡地址开始顺序烧写进去，烧写进去后，就不用那么原始朴素的手法来烧写数据内容了，可以通过fopen()之类的函数让FATFS根据地址映射来写或读数据正文了。

        我这小容量卡是FAT16系统。

        实际上，你可以不装FATFS系统在SD卡，装别系统的也行，只要这套系统自己能自己找到数据地址映射关系就行。SD卡就很单纯提供数据储存的地址，它不懂什么是文件系统，FATFS系统本身也只是存储在卡上的数据而已。

        图6展示SD卡全部储存情况，我的卡是小容量卡。第一个用户文件hello.txt开始的地址0x41E800（这儿表示物理地址）就是数据正文的开始存储地址，在这之前的地址都是FATFS文件系统安装的地方。

        找到文件根目录地址和数据正文地址，并且知道FATFS的文件组织方式，我们甚至不用FATFS的f_write()函数，用朴素的CMD24命令就能就在sd卡创建一个hello.txt文件，文件内容记录"abcdaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa"内容了。         

        我这张SD卡，物理地址=逻辑地址+0x1E000。偏移值就是0x1E000。你找到最起始地址0x00那儿，winhex会告诉你逻辑簇和物理簇的差值是多少。我这儿差值是240个簇，240*512=122880字节，换算成十六进制就是0x1E000。之所以要换算，SD卡只接受物理地址参数，而我们用winhex看的是逻辑地址，因此要换算。

        综上，FATFS文件系统和hello.txt文档本质就是一个文档头+文档内容，文档头告诉我们地址值0x00400800~0x004009F0的地方存放着文档正文内容，然后将这个抽象的数据打包成具象的文档形式展示出来。有了FATFS系统我们不用自己管理数据的地址。

（三）注意事项

        SD卡读和写都是按一簇为单位，就是一次必须写入512bytes，如果你只想写入"abcd"4个字节，不好意思，需要将abcd放入tx_buff[512]数组的0-3号位，剩余4-511号位放0x00。这很麻烦，而FATFS系统则帮我们完成这些违背直觉的事。如果tx_buff[512]没全部初始化，只写入了"abcd"，则后面的数据内容会乱码。如果你只定义了tx_buff[4]，数组只有4个项，用CMD24写入也会导致后面乱码。

        FATFS文件系统约定SD卡一个物理簇只能存放一个文件，这个簇哪怕只用了一半，剩余一半空间也不能用。另一个新文件必须从一个新簇开始。因此FATFS的寻址都是按簇为单位进行，不会按sector或字节。

        网上许多文章以及官方库代码都看到一些多余操作，其实在SPI模式下，不用通过CMD3进入data transfer state，也不用设定RCA（相对偏移地址），初始化结束后可以直接发CMD24开始写数据内容，SPI模式比较简单的。

（四）对官方FATFS库的理解

    

        SD卡初始化不等同格式化，SD卡初始化不会删数据，是一个主机跟SD卡搭建物理沟通的过程，这个过程就是发CMD0、CMD8、ACMD41完成与SD卡的握手对接。格式化就是从SD卡物理地址0x00开始重新烧录标准FATFS系统并且将后面所有内容设置为1或0。

五、代码

        初始化代码看上一篇文章，我这儿只贴出读和写data的代码。这儿的tx_dummy是一个全局变量数组，tx_dummy[514]已格式化为0xFF，而有的系统会格式化为0x00。

/*MOSI发0xFF，MISO接收一字节token*/
uint8_t wait_datatoken()
{
	spi_transaction_t transcnf={
		.flags=SPI_TRANS_USE_RXDATA,
		.tx_buffer=&tx_dummy,
		.length=8,
	};
	spi_device_polling_transmit(device_handle,&transcnf);
	return transcnf.rx_data[0];
}
 
/*读数据块，参数是SD卡读的地址*/
esp_err_t read_card(uint32_t start_addr)
{
	uint64_t cmd=CMD17; //读单个block
	cs_enable();
	write_cmd(cmd | ((uint64_t)start_addr <<8));
	printf("CMD17读命令的地址:0x%02X %02X %02X %02X\n",(uint8_t)(start_addr>>24),(uint8_t)(start_addr>>16),(uint8_t)(start_addr>>8),(uint8_t)start_addr);
	wait_response(R1); //0x00表示成功
	int cnn=20;
	uint8_t temp;
	//要等到token变为0xFE才成功，若为0x00则继续等待，若为0x01~0x0F则为error
	do{
		temp=wait_datatoken();
		printf("wait token:%02X\n",temp);
		if(temp==0xFE)
			{printf("read token correct.");
			break;}
	}while(cnn--);
	if(cnn==0) 
	{
		printf("wait token timeout.");
		write_cmd(CMD12);
		send_dummy(1);
		cs_disable();
		return ESP_ERR_TIMEOUT;
	}
	  //多出bytes，CRC2byte
	spi_transaction_t transcnf={
		.length=8*(512+2),
		.rx_buffer=buff,
		.tx_buffer=&tx_dummy,
	};
	spi_device_polling_transmit(device_handle,&transcnf);
	send_dummy(1);
	cs_disable();
	send_dummy(1);
	printf("read data is:\n ");
	cnn=31;
	for(uint16_t j=0;j<512;j++)
	{
		printf("%02X ",buff[j]);
		if (cnn-- == 0)
		{
			cnn = 31;
			printf("\n");
		}
	}
	printf("\n");
	return ESP_OK;
}
 
/*写数据块，*wr是要写的数据地址指针*/
esp_err_t write_card(uint32_t start_addr, uint16_t block_num,uint8_t * wr)
{	
	uint64_t cmd=CMD24;
	cs_enable();
	write_cmd(cmd | ((uint64_t)start_addr <<8));
	printf("写数据CMD24 has sent.\n");
	wait_response(R1); //0x00表示成功
 
	uint8_t token=0xFE;
	spi_transaction_t transcnf={
		.length=8,
		.tx_buffer=&token,
	};
	spi_device_polling_transmit(device_handle,&transcnf);
	transcnf.length=8*(512+2);
	transcnf.tx_buffer=wr;
	spi_device_polling_transmit(device_handle,&transcnf);
 
	uint8_t cnn=0;
	uint8_t temp=0x01;
	do{
		temp=wait_datatoken();
		cnn++;
		printf("token wait%d.Token value:%02X\n",cnn,temp);  //0xE5表示data accepted， 0x00表示忙线
		if(temp==0xFF) break;
	}while(cnn<20);
	if(cnn==20) 
	{
		printf("wait token from card...timeout.");
		cs_disable();
 
	}
	cs_disable();
	send_dummy(1);
	printf("Write succeed!\n");
	return ESP_OK;
}

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