如何使用外部储存、如何使用标准文件系统读写信息，是比较大的课题，我想用几篇文章的幅度详细介绍自己写驱动程序、移植文件系统库，在不依赖ESP官方库的情况下完成ESP32S3对SD卡的控制，此过程解剖了SD卡操作和文件系统操作的核心。

这是系列文章，链接如下：

【ESP-IDF】ESP32S3用SPI读写 MicroSD/TF卡（二）读写正文数据_spi读写sd卡驱动需要自己写吗-CSDN博客

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

        此篇先解决物理驱动层，就是如何用SPI协议操控SD卡的寄存器。重点与硬件和SD卡数据手册交涉。

        我用 ESPIDF自带的sdspi库失败，失败定位在SD卡初始化过程，发送多次ACMD41仍无法接收SD卡0x00回复，超时（主程序返回0x107错误），初始化失败。于是自己写了SD卡SPI模式的通讯协议查看究竟。

        SD卡、MicroSD、TF卡都是用一样的代码一样的协议。MMC卡的协议流程略有不同。SD卡里面还有细分为超大容量SDXC、大容量SDHC和小容量SDSC（2GB以下）三种，接线一样，代码上略有区别，而这些区别挺致命的。        

         一开始用图1的MicroSD卡模块，有弹簧自锁的，还有3.3v稳压器，电路设计比图二稳当，但到了ACMD41初始化时尝试5000次都总是失败，CMD0和CMD8倒是正常。换过其他sd卡试过，耗了我好多天后，终于下单换了图二的模块，简陋一点，但原代码测试ACMD41就通过了，R1返回0x00。

        我用这种256MB的便宜小卡，属于SDSC。 

        SD卡结构分为控制寄存器和储存单元，我们的指令就是操作控制寄存器。

        以上就是SD卡常用操作指令，而本篇需要用到的指令到CMD58为止，就能完成SD卡物理初始化过程，指令按出场顺序排好了。       

        说一下指令的数值构成。CMD0的数值就是0，CMD8就是8，CMD10就是十进制的10。以CMD10为例，10转变成十六进制就是0x0A，加上0x40就是0x4A了。所有指令都是从0x40开始加上去，看CMD0就知道了。

        ACMD41也是跟普通CMD命令一样计算。十进制的41就是十六进制的0x29，加到0x40上等于0x69。ACMD41的第三位可以是4也可以是0，小容量卡用0也可，大容量卡用4，其实无论你用什么都不影响SD卡回复你的消息。

        注意主机发出的所有指令，SD卡都会在后面回复一个response。

        从CMD0至ACMD41都要强调CRC计算准确，ACMD41之后的指令随意填个CRC就可，SD卡手册这样说的。因为SPI模式下，SD卡不检查CRC。但是ACMD41之前卡片都没完成初始化，SD卡不清楚主机采用哪种方式来沟通，因此要正确的CRC。        

        计算CRC的工具在这个网址：

CRC（循环冗余校验）在线计算_ip33.com

        command用CRC7的模式，计算工具使用过程如下：

        我这是用CMD55、0x770000000065作为例子。输入7700000000，选择CRC7模型，按计算按钮，在计算结果Bin栏看到结果是7bits，自己在最右边补一个1就是完整8位，补上1后，就是0x65了，所以CMD55的命令CRC应该是65。末尾补1是SD卡协议的要求，命令传输结束时末尾置1。

        去SD卡联盟下载simplified版本的SD卡手册（我文章有提供下载，但可能被CSDN弄成付费资源）。几百页很繁琐，我提几个注意点。这个手册包含了几种传输协议：SDIO协议、SPI协议、UHS-II协议、PCIe协议，不要看花眼了，我一开始看了SDIO的协议，连寄存器和指令的操作都不太一样，response也不一样，浪费了时间。

        SD卡版本的话，我们知道近10年的卡都是2.0版本之后的就行了。

        SD卡分容量，SDSC是2GB以下，SDHC是大杯，SDXC是超大杯，SDUC是Ultra杯。

        SD卡状态的话，主要分为idle、ready、busy这几种重要状态，CMD8命令之前的阶段response返回0x01（idle)表示通过，ACMD41阶段要返回0x00才表示通过，不是所有阶段都是0x01，要看SD卡进入到哪个状态来判断。        

        左图是SDIO模式的初始化指令ACMD41，右图是SPI模式的ACMD41指令。SPI环节都讲得很简略，可以看到右图ACMD41参数0至31bits大部分都是置0，而左图的参数包含了FB、XPC、OCR等要设置成有用的数值。

        左图的Response是R3类型，48bits，右图的response类型只是R1，7bits。所以差别很大，不要看花眼啦。我们只看SPI有关的。

        除此外，网上有很多文章提到的指令如CMD3用来切换到data transfer阶段，实际上是不能用在SPI模式的，张冠李戴。又比如CMD7对RCA（相对偏移地址）设置，SPI模式是不用设置这个的。看下图第2列，不是所有指令都适合在SPI模式使用的，第二列写NO的不适合SPI模式。

        网上也有不少文章提到R1的格式是48bits，实际上SPI不需要校验CRC，SPI模式的R1只有8bits。看下图。

        很多人文章都是复制粘贴过来，鱼龙混杂。

        先列一下参数，我使用的是四线硬件SPI，一个时钟周期传输1bit，全双工，开DMA。SD卡的SPI接口也只有四线的形式，要更快的话可能要用SDIO传输协议？四线指CS、CLK、MOSI、MISO，更多线的SPI会体现在多几条数据传输线，可以一次传好几bit。

        ESP32S3配备了4个SPI外设硬件，我们能用的只有SPI2和SPI3，选channel时记得在这两个channel里面选。要更快的话就选SPI2，能直接连接IOMUX，但要特定GPIO引脚；SPI3只能通过GPIO MATRIX传输，慢一点，但可随意指定GPIO引脚，其实速度也有20Mhz，对SD卡来讲足够快了。

        传输格式为command+address+dummy+data四块，实际上对硬件来说无区别，都是发送0101这些bit，因此这四块都不是必选，我的话前三块都不用，只发送data，把SD卡的指令、参数、crc都编成一条data发出。区别就是在传输函数内自己写多几行简单代码处理一下data的先后顺序。

        SPI传输很简单，把CS线拉低电平后就可以开始传输正文data内容，要结束的话拉高CS。如要接收8bits内容的话，主机也是做发送操作，发送内容为8个0xFF字节，就是8个dummy，然后在接收数组上取出内容即可。发的同时立马就收，发1bit就自动同步收1bit。

        SPI传输内容长度无限制。    

        下文有完整代码，这儿先分析一下如何配置SPI。

        要配置3块。分别是主机SPI bus配置、从机device特性配置、每次数据传输交易的配置。

        第一块是spi bus。如下代码，就是选择引脚号码、选择主机或从机身份、选择GPIO MATRIX或IOMUX方式。调用initialize()函数选择channel 2。

        第二块是spi device。不同从机设备的通讯要求都是有些不同的，所以要配置一下。比如命令格式是多少位、参数格式是多少位、通讯时钟速率等，参考SD卡的数据手册来定义。由于CS选择线我是手动上下拉，所以这儿将.spics_io_num配置为-1，不需要SPI硬件自动帮我处理cs了。另外我将command、address长度设为0，因为我自己来编制指令，全部塞在data段里发送，不需要SPI设备操心。

        注意device_handle和devicecnf，作为全局变量，因为这个handle到后面发生数据传输时要用起来。

        前两块都是一次过配置好，后面基本就不会动的了。

        第三块有点特殊，是transaction_t，每次发生数据传输都要再配置一次。下面用发送一个dummy（0xFF）为例。定义一个spi_transaction_t结构体，里面的属性就是关于本次要传输交易的数据特性。发送长度是1byte即8bits，length设为8。tx_buffer指向要发送的内容。.rx_buffer指定用哪个数组来接收内容。

        配置好这三块后，就可以用spi_device_polling_transmit（）函数将内容发出去啦。其实写和读都是要调用spi_device_polling_transmit这个传输函数，区别在于读内容时发送的是dummy字节，写内容时不关心rx_buff接收什么信息，聚焦点不同。

        这儿要提到ESP32的SPI的两种传输机制，一种是轮询Polling，一种是中断。我用的是轮询，就是MCU要一直等到数据传输完毕才切换去别的任务，专一。如果是中断方式传输，就调用spi_device_transmit（）函数，会将传输内容和任务放在Freertos里面排队，数据传输过程MCU允许去干别的任务，传输结束时触发中断提醒你处理。轮询方式实时性强能优先处理SPI传输任务。中断方式的配置要麻烦一些，要在transaction_t里面配置回调函数。

        按我以上的配置，用示波器检查过，spi_device_polling_transmit（）只会发送我要他发的字节，不会拉高拉低cs线。考虑到SD卡上电时序等非常规操作，所以我选择手动控制CS线。

        MOSI发送dummy，MISO接收要读的信息，这是SPI读信息的过程。我测试了以下几种情况分享一下：

（1）如下代码，若transaction_t里的tx_buffer指向1字节的dummy，而想接收10字节信息，结果是会接收到一些奇怪的信息，不完全是我们想要的。

（2）如下代码，若transaction_t里根本没定义tx_buffer，想要接收10字节信息，结果会是空，什么信息都接收不到。

        结论是，dummy也要谨慎处理，最正确就是一致长度的0xFF dummy。

        2.0版本以上的SD卡可以概括为以下初始化时序：

        上电：CS保持拉高，主机发送74个bits的数据，最好是15个dummy即15个0xFF，帮助SD卡完成上电电压爬升阶段，因为是同步通讯，一般从机设备都需要主机发时钟过去协调其内部程序执行。我发现发多一些dummy会帮助下一阶段稳定获得正常response。

        复位命令：CS拉低，主机发送CMD0，0x400000000095，CS拉高。这阶段有可能主机连着很多张SD卡，所以这个CMD0是个广播命令，让所有SD卡复位，进入idle状态。同时这个操作高速SD卡接下来是用SPI模式。R1值是0x01表示成功。

        电压检查：CS拉低，主机发送CMD8，0x48000001AA87，CS拉高。CMD8又叫SEND_IF_COND，IF代表interface，就是双方的接口检查，主要是电压对接。这儿也是一条广播命令。01代表主机告诉从机我支持3.3V电压。AA只是一个check pattern，相当于暗号，设置成别的也行，但设别的话，CRC也要记得改，这个AA暗号作用就是检查SPI通讯是否准确，若正常，response R3也会带着AA暗号。R3的最高一位字节也是R1，最高位返回0x01表示成功。如果返回其他值，可以重复发CMD8，如果也不行，考虑是MMC卡或1.0版本的卡。

        卡片初始化：CS拉低，主机发送CMD55，0x770000000065，CS拉高；CS拉低，主机发送ACMD41，0x694000000077，CS拉高。因为发任何ACMD命令前都要发CMD55。期望ACMD41返回的response R1是0x00，代表脱离了idle阶段进入ready阶段。如果ACMD41一直不返回0x00，而是0x01或其他值，就要重复这个CMD55+ACMD41的发送操作。我这边重复到第3次就成功收到0x00了。注意初始化不是格式化，卡片的内容不会被清除。这一步前，都要注意CRC计算准确。初始化是主机跟某张SD卡建立一对一专线通讯过程的操作。

        检查初始化是否成功：CS拉低，主机发送CMD58，0x7A00000000FF，CS拉高。这一步不是必须的，只是个检查。接收R3，0x00 80 FF 80 00表示成功。R3里面除了最高一位是R1，剩余就是卡片的OCR寄存器的信息，读OCR我们主要看两个参数。第30位CCS，SDSC低容量卡片就是0，SDHC以上卡片（2GB）就是1。第31位power up status位，如果ACMD41步骤不成功，这个位就是0，如果初始化成功这个位就是1。我的实操返回结果是0x00 80 FF 80 00。OCR寄存器看下图：

        到此为止，卡片初始化就完成，主机完成了从多张SD卡里面选择出这一张SD卡的程序。后面的通讯就不再是广播了，都是针对这张卡地址的通讯，包括读SD卡容量出厂信息、读写数据等，都是直接操作读写命令即可，不用再做上述初始化步骤。       

        具体一条指令和响应怎样传输和接收？

       注意SD卡的响应不是同步接收的。command和response之间是有空档的，经过实测，间隔为一个dummy字节。发一个指令，接收一个response的时序应该如下：

        （1）CS拉低

        （2）主机MOSI发48bits内容，指令+参数+CRC

        （3） 主机MOSI发一字节dummy即0xFF

        （4）主机MOSI根据response的长度比如5字节就发5字节dummy，同时在.rx_buffer上读取response

        （5）CS拉高

        （6）主机发送一字节dummy协助卡片处理其他事宜，结束。

        这是自建的component中的fatfs2.c文件