Micro SD卡SPI模式实战演练：初始化、读写操作及性能优化


参考资源链接：[Micro SD卡（TF卡）SPI模式操作详解](https://wenku.csdn.net/doc/6412b4cbbe7fbd1778d40d7a?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. Micro SD卡SPI通信概述

在嵌入式系统开发中，Micro SD卡作为一种常见的存储介质，因其小型化和易扩展性被广泛应用。通过SPI（串行外设接口）通信，Micro SD卡与主控设备之间实现数据交换。本章将概述Micro SD卡SPI通信的基本原理，为后续章节深入探讨初始化流程、读写操作以及性能优化策略奠定基础。

SPI通信是一种全双工通信协议，包含主设备（Master）和从设备（Slave）两种角色。在Micro SD卡的应用场景中，主设备通常是微控制器或其他主控芯片，而Micro SD卡则是从设备。通信过程中，主设备负责发出时钟信号（SCLK）、选择信号（CS），以及发送（MOSI）和接收（MISO）数据。

为了有效使用SPI接口与Micro SD卡通信，开发者需遵守相应的通信协议和时序要求。这包括发送正确格式的指令、遵循初始化序列以及在数据传输时保持必要的时序关系。了解和掌握这些基础知识，对于确保设备稳定运行和数据传输的可靠性至关重要。

# 2. Micro SD卡的初始化流程

## 2.1 SPI模式下的Micro SD卡初始化协议

### 2.1.1 上电和复位过程

在SPI通信模式下，Micro SD卡的上电和复位过程是确保后续通信正常的关键步骤。上电时，MISO线保持高电平，直到上电稳定后，控制器通过CS（片选）信号将Micro SD卡置于活动状态。CS通常由高电平变为低电平以启动通信。紧接着，发送复位命令CMD0，这一步通常伴随着时钟信号SCLK的发送，确保Micro SD卡进入SPI模式。

// 发送CMD0复位命令的代码示例
uint8_t cmd0 = 0x40; // CMD0命令码为0x40
uint8_t response;

// 通过SPI发送CMD0命令
spi_transfer(cmd0);

// 读取卡片的响应
for (int i = 0; i < 4; i++) {
    response = spi_transfer(0xff); // 0xff是空闲字节
}

复位命令后，卡片会返回一个响应。如果响应以0x01开始，则表示卡片已成功复位，否则可能需要重新发送复位命令或检查SPI通信是否正常。

### 2.1.2 初始化命令序列

初始化命令序列通常包括一系列命令，用来查询卡片状态、设置块长度、切换到高容量模式等。首先发送CMD1命令检查卡片是否就绪，然后发送CMD58和CMD59来查询卡片的OCR（操作条件寄存器）信息，并设置正确的电压范围。这些命令会帮助控制器了解卡片的状态和容量限制，以便后续正确操作。

// 检查卡片是否就绪的CMD1命令发送示例
uint8_t cmd1 = 0x41;
uint8_t status;

// 发送CMD1命令
spi_transfer(cmd1);

// 读取卡片状态响应
for (int i = 0; i < 4; i++) {
    status = spi_transfer(0xff);
    // 检查卡片是否就绪
    if ((status & 0xc0) == 0x40) {
        break;
    }
}

## 2.2 Micro SD卡识别与容量检测

### 2.2.1 卡识别流程

识别Micro SD卡是整个初始化流程中的一个重要环节。首先需要通过发送CMD55（APP_CMD）和ACMD41（SD_SEND_OP_COND）命令来检测卡片是否支持应用命令。这个过程需要循环进行，直到卡片返回表示准备就绪的状态位。成功识别后，卡片会进入就绪状态，可以进行容量查询和数据读写操作。

// 发送CMD55和ACMD41进行卡识别的代码示例
uint8_t cmd55 = 0x77;
uint8_t cmd41 = 0x69;
uint8_t response;

// 发送CMD55命令
spi_transfer(cmd55);

// 发送ACMD41命令
spi_transfer(cmd41);

// 循环检测卡片是否就绪
do {
    response = spi_transfer(0xff);
} while ((response & 0x80) != 0x80); // 0x80表示卡片就绪

### 2.2.2 获取容量信息的方法

在成功初始化和识别卡片后，下一步是获取Micro SD卡的容量信息。这通常通过发送CMD9（SEND_CSD）和CMD10（SEND_CID）命令来完成。CMD9返回的是卡特定数据（CSD）寄存器的内容，包含了卡片的容量和性能参数。而CMD10返回的是卡识别数据（CID），包含了生产厂商信息和其他标识信息。通过解析这些数据，可以完整地了解卡片的容量和配置。

// 发送CMD9命令获取CSD寄存器内容的代码示例
uint8_t cmd9 = 0x49;
uint8_t csd[16];

// 发送CMD9命令
spi_transfer(cmd9);

// 读取CSD寄存器内容
for (int i = 0; i < 16; i++) {
    csd[i] = spi_transfer(0xff);
}

以上章节详细解释了Micro SD卡在SPI模式下的初始化流程，包括上电复位、初始化命令序列、卡识别以及容量检测等关键步骤。每个步骤都配以代码示例和逻辑分析，确保读者能够深入理解并应用于实际的开发过程中。

# 3. Micro SD卡SPI模式读写操作

在本章节中，我们将深入探讨Micro SD卡在SPI模式下的读写操作，涵盖数据传输协议、错误检测与处理机制，以及文件系统与数据管理的基础知识。这些内容对于确保数据完整性和系统性能至关重要。

## 3.1 SPI模式下的数据传输协议

### 3.1.1 读取数据的流程

SPI模式下，Micro SD卡的读取操作主要涉及以下几个步骤：

- **启动传输**：主机通过发送CMD17（读单块）或CMD18（读多块）指令来启动数据块的传输。
- **数据传输**：SD卡将数据块发送到主机。数据块以起始令牌开始，后面跟着数据块本身（512字节），最后是两个字节的CRC校验码。
- **停止传输**：对于读多块操作，在完成所需的数据传输