SD NAND开发指南：SDIO与SPI详解

SD NAND 完整开发指南（SDIO & SPI 模式）

一、硬件设计

1. SDIO 模式接线（4-bit 高速模式）

硬件要点：

• 时钟线串联22Ω电阻抑制反射

• 所有信号线加3.3V上拉电阻（10kΩ）

• 电源走线宽度≥20mil，VCC与GND间并联10μF+100nF电容

2. SPI 模式接线

硬件要点：

• MISO需加10kΩ上拉电阻

• SCK频率初始≤400kHz（初始化后可达25MHz）

• CS引脚建议串联100Ω电阻

二、软件初始化

1. SDIO 模式初始化流程（以STM32 HAL为例）

// 1. 配置SDIO时钟RCC_PeriphCLKInitTypeDef sdcfg = {0};sdcfg.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_SDIO;sdcfg.SdioClockSelection = RCC_SDIOCLKSOURCE_PLLPCLK;HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&sdcfg);// 2. 初始化SDIO外设SD_HandleTypeDef hsd;hsd.Instance = SDIO;hsd.Init.ClockEdge = SDIO_CLOCK_EDGE_RISING;hsd.Init.ClockBypass = SDIO_CLOCK_BYPASS_DISABLE;hsd.Init.ClockPowerSave = SDIO_CLOCK_POWER_SAVE_DISABLE;hsd.Init.BusWide = SDIO_BUS_WIDE_1B;  // 初始为1-bit模式hsd.Init.HardwareFlowControl = SDIO_HARDWARE_FLOW_CONTROL_ENABLE;hsd.Init.ClockDiv = SDIO_INIT_CLK_DIV;  // 通常为0x76（400kHz）HAL_SD_Init(&hsd);// 3. 发送初始化序列HAL_SD_InitCard(&hsd);// 4. 切换至4-bit模式HAL_SD_WideBusOperation_Config(&hsd, SDIO_BUS_WIDE_4B);// 5. 设置高速模式（24MHz）hsd.Init.ClockDiv = SDIO_TRANSFER_CLK_DIV;  // 如0x00（24MHz）HAL_SD_Init(&hsd);// 6. 验证初始化成功if(HAL_SD_GetCardState(&hsd) == HAL_SD_CARD_TRANSFER)
    printf("SDIO Init Success!
");

2. SPI 模式初始化流程

// 1. 配置SPI外设SPI_HandleTypeDef hspi;hspi.Instance = SPI1;hspi.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER;hspi.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES;hspi.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT;hspi.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW;    // CPOL=0hspi.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE;        // CPHA=0hspi.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_256; // 400kHzHAL_SPI_Init(&hspi);// 2. 发送74+个时钟脉冲（唤醒SD NAND）CS_LOW();uint8_t dummy[10] = {0xFF};HAL_SPI_Transmit(&hspi, dummy, 10, 100);CS_HIGH();// 3. CMD0（软复位）sd_cmd(0x40, 0, 0x95);  // 参数: CMD0+0x40, arg=0, CRC7=0x95// 4. CMD8（电压检查）do {
    response = sd_cmd(0x48, 0x1AA, 0x87); // CMD8+0x40, arg=0x1AA, CRC=0x87} while(response != 0x01);  // 等待退出空闲状态// 5. ACMD41（初始化）do {
    sd_cmd(0x77, 0, 0);    // CMD55（APP_CMD）
    response = sd_cmd(0x69, 0x40000000, 0); // ACMD41（带HCS位）} while(response != 0x00);// 6. 切换高速模式hspi.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_4; // 25MHzHAL_SPI_Init(&hspi);

三、关键操作代码

1. SDIO 读写函数

// 单块读取HAL_SD_ReadBlocks(&hsd, buffer, sector, 1, 1000);// 多块写入（启用DMA）HAL_SD_WriteBlocks_DMA(&hsd, buffer, sector, num_blocks);// 回调函数（DMA完成中断）void HAL_SD_TxCpltCallback(SD_HandleTypeDef *hsd) {
    printf("Write Complete!
");}

2. SPI 读写函数

// SPI发送命令（返回R1响应）uint8_t sd_cmd(uint8_t cmd, uint32_t arg, uint8_t crc) {
    uint8_t frame[6] = {
        cmd, 
        (uint8_t)(arg >> 24),
        (uint8_t)(arg >> 16),
        (uint8_t)(arg >> 8),
        (uint8_t)arg,
        crc    };
    CS_LOW();
    HAL_SPI_Transmit(&hspi, frame, 6, 100);
    
    // 等待响应（最多重试8次）
    uint8_t response;
    for(int i=0; i<8; i++) {
        HAL_SPI_Receive(&hspi, &response, 1, 10);
        if(!(response & 0x80)) break;
    }
    return response;}// 读取数据块void sd_read_block(uint32_t sector, uint8_t *buffer) {
    sd_cmd(0x51, sector << 9, 0);  // CMD17 (地址按字节计算)
    
    // 等待数据令牌0xFE
    uint8_t token;
    do {
        HAL_SPI_Receive(&hspi, &token, 1, 100);
    } while(token != 0xFE);
    
    // 读取512字节数据
    HAL_SPI_Receive(&hspi, buffer, 512, 1000);
    
    // 跳过2字节CRC
    HAL_SPI_Receive(&hspi, buffer, 2, 10);}

四、调试技巧

1. SDIO 常见问题：

• 初始化失败 → 检查D0上拉电阻

• 数据传输CRC错误 → 降低时钟频率

• DMA超时 → 检查4-bit模式是否配置成功

2. SPI 调试工具：

# 使用pyftdi检测SPI通信from pyftdi.spi import SpiController
spi = SpiController()spi.configure('ftdi://::/1')slave = spi.get_port(cs=0, freq=1E6)data = slave.exchange([0x40,0,0,0,0,0x95], 6)  # CMD0print(f"Response: {hex(data[0])}")

• 逻辑分析仪抓包：

• SDIO模式：关注CMD线初始化序列

• SPI模式：检查CMD0返回的0x01响应

五、性能优化

关键代码优化：

// SDIO开启D-Cache（STM32H7）SCB_EnableDCache();// SPI使用内存对齐缓冲区__attribute__((aligned(32))) uint8_t buffer[512];

完整工程建议：

1. 实现FATFS文件系统集成

2. 添加异常处理（拔出检测、写保护）

3. 设计磨损均衡算法（针对NAND特性）

参考文档：

• SD Physical Layer Specification v7.0

• JESD84-B51（eMMC标准）

• STM32 SDIO应用笔记AN5348

本指南覆盖从硬件设计到软件驱动的全流程，可根据具体芯片手册调整电压参数和时序要求。

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