如何使用GPIO模拟SD NAND的读写操作？

在资源受限的情况下，可以使用 DSP 或 MCU 的普通 GPIO 引脚通过软件模拟 SD NAND 的通信协议。以下是基于 GPIO Bit-Banging 的实现方法：

1. 硬件连接

MCU/DSP    SD NAND
------------------
GPIO1      CLK   (输出)
GPIO2      CMD   (输出/输入)
GPIO3      DATA0 (输入)
GPIO4      DATA1 (输入) [可选]
GPIO5      DATA2 (输入) [可选]
GPIO6      DATA3 (输入) [可选]
3.3V       VCC
GND        GND

2. 核心实现原理

通过精确控制 GPIO 的电平变化和延时，模拟 SDIO/SPI 协议的时序：

• 时钟信号：CLK 引脚高低电平切换

• 数据发送：CMD 引脚按位输出数据，CLK 上升沿锁存

• 数据接收：DATA0 引脚按位读取数据，CLK 上升沿采样

• 延时控制：确保时序符合 SD NAND 的要求

3. SPI 模式下的 GPIO 模拟实现

以下是基于 SPI 模式的 GPIO Bit-Banging 实现：

gpio_sdnand.c

#include "gpio_sdnand.h"
#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>
#include <delay.h>  // 延时函数库

/* GPIO引脚定义 */
#define SD_CLK_PIN  1  // CLK引脚号
#define SD_CMD_PIN  2  // CMD引脚号
#define SD_DATA0_PIN 3 // DATA0引脚号

/* 初始化GPIO */
void SD_GPIO_Init(void) {
    // 配置CLK为输出
    GPIO_SetDir(SD_CLK_PIN, GPIO_DIR_OUTPUT);
    // 配置CMD为输出（初始状态）
    GPIO_SetDir(SD_CMD_PIN, GPIO_DIR_OUTPUT);
    // 配置DATA0为输入
    GPIO_SetDir(SD_DATA0_PIN, GPIO_DIR_INPUT);
    
    // 初始状态：CLK=0，CMD=1
    GPIO_WritePin(SD_CLK_PIN, 0);
    GPIO_WritePin(SD_CMD_PIN, 1);
}

/* 设置CLK引脚电平 */
static void SD_SetCLK(bool state) {
    GPIO_WritePin(SD_CLK_PIN, state);
}

/* 设置CMD引脚电平 */
static void SD_SetCMD(bool state) {
    GPIO_WritePin(SD_CMD_PIN, state);
}

/* 读取DATA0引脚电平 */
static bool SD_ReadDATA0(void) {
    return GPIO_ReadPin(SD_DATA0_PIN);
}

/* 发送一个字节 */
void SD_SendByte(uint8_t data) {
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        // 输出数据位（MSB优先）
        SD_SetCMD((data & 0x80) != 0);
        data <<= 1;
        
        // 产生时钟上升沿
        SD_SetCLK(1);
        // 延时确保SD NAND能采样到数据
        DELAY_US(1);
        
        // 产生时钟下降沿
        SD_SetCLK(0);
        DELAY_US(1);
    }
}

/* 接收一个字节 */
uint8_t SD_ReceiveByte(void) {
    uint8_t data = 0;
    
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        // 产生时钟上升沿（采样点）
        SD_SetCLK(1);
        DELAY_US(1);
        
        // 读取数据位
        data <<= 1;
        if (SD_ReadDATA0()) {
            data |= 0x01;
        }
        
        // 产生时钟下降沿
        SD_SetCLK(0);
        DELAY_US(1);
    }
    
    return data;
}

/* 发送SD命令（SPI模式） */
uint8_t SD_SendCommand(uint8_t cmd, uint32_t arg) {
    uint8_t response;
    uint8_t retry = 0;
    
    // 发送前先发送8个时钟周期
    for (int i = 0; i < 8; i++) {
        SD_SetCLK(1);
        DELAY_US(1);
        SD_SetCLK(0);
        DELAY_US(1);
    }
    
    // 发送命令字节 (0x40 | 命令号)
    SD_SendByte(0x40 | cmd);
    
    // 发送参数 (4字节)
    SD_SendByte((arg >> 24) & 0xFF);
    SD_SendByte((arg >> 16) & 0xFF);
    SD_SendByte((arg >> 8) & 0xFF);
    SD_SendByte(arg & 0xFF);
    
    // 发送CRC（CMD0使用0x95，CMD8使用0x87，其他命令CRC无效）
    if (cmd == 0) {
        SD_SendByte(0x95);
    } else if (cmd == 8) {
        SD_SendByte(0x87);
    } else {
        SD_SendByte(0xFF);
    }
    
    // 等待响应
    do {
        response = SD_ReceiveByte();
        if (++retry > 0x1F) break;  // 超时退出
    } while (response == 0xFF);
    
    return response;
}

/* 初始化SD卡 */
bool SD_Init(void) {
    uint8_t response;
    
    // 发送至少74个时钟周期（复位阶段）
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        SD_SendByte(0xFF);
    }
    
    // 发送CMD0复位SD卡
    response = SD_SendCommand(0, 0);  // CMD0: GO_IDLE_STATE
    if (response != 0x01) {
        return false;  // 初始化失败
    }
    
    // 发送CMD8检查电压支持（SDHC/SDXC卡需要）
    response = SD_SendCommand(8, 0x000001AA);  // CMD8: SEND_IF_COND
    if (response == 0x01) {
        // 支持CMD8，读取参数
        for (int i = 0; i < 4; i++) {
            SD_ReceiveByte();  // 忽略参数
        }
    } else {
        // 不支持CMD8，可能是SDv1或MMC卡
        // 此处省略旧版卡的初始化流程
    }
    
    // 发送ACMD41初始化卡（需要先发送CMD55）
    uint32_t timeout = 0xFFFFFF;
    do {
        SD_SendCommand(55, 0);  // CMD55: APP_CMD
        response = SD_SendCommand(41, 0x40000000);  // ACMD41: SD_SEND_OP_COND (HCS=1)
        if (--timeout == 0) return false;  // 超时
    } while (response != 0x00);
    
    // 发送CMD58读取OCR寄存器
    response = SD_SendCommand(58, 0);  // CMD58: READ_OCR
    if (response != 0x00) {
        return false;
    }
    
    // 读取OCR寄存器值（4字节）
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        SD_ReceiveByte();  // 忽略OCR值
    }
    
    // 发送CMD16设置块大小为512字节
    response = SD_SendCommand(16, 512);  // CMD16: SET_BLOCKLEN
    if (response != 0x00) {
        return false;
    }
    
    return true;  // 初始化成功
}

/* 读取单个块（512字节） */
bool SD_ReadBlock(uint32_t blockAddr, uint8_t *buffer) {
    uint8_t response;
    uint16_t i;
    
    // 发送CMD17读取块命令
    response = SD_SendCommand(17, blockAddr);  // CMD17: READ_SINGLE_BLOCK
    if (response != 0x00) {
        return false;  // 命令失败
    }
    
    // 等待数据开始令牌 (0xFE)
    do {
        response = SD_ReceiveByte();
    } while (response != 0xFE);
    
    // 读取512字节数据
    for (i = 0; i < 512; i++) {
        buffer[i] = SD_ReceiveByte();
    }
    
    // 读取CRC（忽略）
    SD_ReceiveByte();
    SD_ReceiveByte();
    
    return true;  // 读取成功
}

/* 写入单个块（512字节） */
bool SD_WriteBlock(uint32_t blockAddr, const uint8_t *buffer) {
    uint8_t response;
    
    // 发送CMD24写入块命令
    response = SD_SendCommand(24, blockAddr);  // CMD24: WRITE_SINGLE_BLOCK
    if (response != 0x00) {
        return false;  // 命令失败
    }
    
    // 发送数据开始令牌 (0xFE)
    SD_SendByte(0xFE);
    
    // 发送512字节数据
    for (uint16_t i = 0; i < 512; i++) {
        SD_SendByte(buffer[i]);
    }
    
    // 发送伪CRC
    SD_SendByte(0xFF);
    SD_SendByte(0xFF);
    
    // 检查响应
    response = SD_ReceiveByte();
    if ((response & 0x1F) != 0x05) {
        return false;  // 写入响应错误
    }
    
    // 等待写入完成
    do {
        response = SD_ReceiveByte();
    } while (response == 0x00);
    
    return true;  // 写入成功
}    

gpio_sdnand.h

#ifndef __GPIO_SDNAND_H__
#define __GPIO_SDNAND_H__

#include <stdint.h>
#include <stdbool.h>

/* SD命令定义 */
#define CMD0    0   // GO_IDLE_STATE
#define CMD1    1   // SEND_OP_COND
#define CMD8    8   // SEND_IF_COND
#define CMD9    9   // SEND_CSD
#define CMD10   10  // SEND_CID
#define CMD12   12  // STOP_TRANSMISSION
#define CMD16   16  // SET_BLOCKLEN
#define CMD17   17  // READ_SINGLE_BLOCK
#define CMD18   18  // READ_MULTIPLE_BLOCK
#define CMD24   24  // WRITE_SINGLE_BLOCK
#define CMD25   25  // WRITE_MULTIPLE_BLOCK
#define CMD55   55  // APP_CMD
#define ACMD41  41  // SD_SEND_OP_COND

/* 初始化GPIO接口 */
void SD_GPIO_Init(void);

/* 初始化SD卡 */
bool SD_Init(void);

/* 读取单个块 */
bool SD_ReadBlock(uint32_t blockAddr, uint8_t *buffer);

/* 写入单个块 */
bool SD_WriteBlock(uint32_t blockAddr, const uint8_t *buffer);

#endif /* __GPIO_SDNAND_H__ */    

4. 关键实现细节

1. 时钟频率控制：

• 初始化阶段：CLK 频率≤400kHz

• 数据传输阶段：CLK 频率≤25MHz（根据 SD NAND 规格调整）

• 通过DELAY_US()函数控制时序精度

2. 双向引脚处理：

• CMD 引脚需要在发送和接收模式间切换

• 发送时配置为输出，接收前配置为输入

3. 延时函数实现：

// 微秒级延时（需根据系统时钟调整）void DELAY_US(uint32_t us) {
    // 基于定时器或循环计数实现
    // 示例：使用循环计数（非精确实现）
    for (uint32_t i = 0; i < us * (SystemCoreClock / 1000000 / 4); i++) {
        __asm("nop");
    }}

5. 使用示例

int main(void) {
    uint8_t buffer[512];
    
    // 初始化GPIO
    SD_GPIO_Init();
    
    // 初始化SD卡
    if (SD_Init()) {
        // 读取块0
        if (SD_ReadBlock(0, buffer)) {
            // 处理读取的数据
        }
        
        // 修改数据
        buffer[0] = 0xAA;
        
        // 写回块0
        if (SD_WriteBlock(0, buffer)) {
            // 写入成功
        }
    }
    
    while (1) {
        // 主循环
    }}

6. 注意事项

1. 时序精度：

• 延时函数需根据实际系统时钟频率调整

• 高频通信时建议使用定时器而非循环计数

2. 电源稳定性：

• SD NAND 对电源波动敏感，建议添加去耦电容

3. 错误处理：

• 实际应用中需添加更完善的错误检测和重试机制

4. 兼容性：

• 不同厂商的 SD NAND 可能有细微时序差异

• 建议先查阅具体型号的数据手册

通过 GPIO Bit-Banging，即使在没有专用 SDIO/SPI 接口的 MCU/DSP 上，也能实现与 SD NAND 的通信，适合资源受限的嵌入式系统。

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