基于MCU的SD卡fat文件系统读写移植

背景

https://blog.csdn.net/huang20083200056/article/details/78508490

SD卡(Secure Digital Memory Card)具有体积小、容量大、数据传输快、可插拔、安全性好等优点，被广泛应用于便携式设备上。例如作为数码相机的存储卡，作为手机、平板多媒体扩展卡用的TF卡(micro sd)等等。

SD卡概述

SD卡技术是在MMC卡的基础上发展起来的，其尺寸与MMC卡一样，只是比MMC卡厚了0.7mm，因此SD主机可以识别并存取MMC卡。SD卡接口除了保留MMC卡的7针外，还在两边加了2针，作为数据线，目的是通过把传输方式由串行变成并行，以提高传输速率。此时的规范为SD1.0版本，最高容量只能到4GB。

为了跟进产品的更新换代，SD联合协会在06年发布了容量更大、存储更快的下一代SD卡规范SD2.0。该规范重新定义了SD卡的速度等级，分为三档：Class 2、4、6，分别对应写入速度2MB/S、4MB/S、6MB/S。根据卡容量又分为标准卡(小于2GB)和高容量卡(2GB~32GB)，目前市面上应用的SD卡绝大部分都是SD2.0版本的卡。

为了让储存卡更加迷你，通过SD卡规范标准，又衍生了MiniSD卡和Micro SD卡，这些卡均比标准SD卡尺寸小，通过SD转接套可以当作一般的SD卡使用。尤其是Micro SD卡，可以算是最小的存储卡了，超小的体积可以极大的节省消费电子产品内部设计的空间，基本目前的Android手机均是选用Micro SD卡作为多媒体扩展储存卡。随着科技的进步，SD2.0规范SD卡也渐渐无法满足应用的需求，在10年SD联合协会又发布了新的SD3.0规范，该规范定义了sdxc和uhs，并增加了Class10，容量范围为32GB~2TB。

MMC，SD，SDIO等之间的关系，如下图所示。

MMC卡（MultiMediaCard）: 是一种快闪存储器卡标准。技术基于东芝的NAND闪存技术。比早期基于Inter NOR快闪技术的记忆卡（如CF卡）体积更小。

eMMC（Embedded MultiMediaCard）：将NAND flash+主控IC封装在一起的IC芯片，一般是BGA封装。主要针对手机等产品的内嵌式存储器标准规格。

SD卡（Secure Digital Memory Card）：数据传送和物理规范等在MMC的基础上发展而来，强调安全，速度比2.11版的MMC卡更快。SDSC卡容量<=2GB，SDHC的为2GB_{32GB、**SDXC**的为32GB}2TB。miniSD卡体积比SD卡小，而microSD卡则更小。

SDIO：SD卡接口的基础上发展起来的外设接口，不止科技SD卡，还可以接蓝牙、wifi、电视卡等。

TF卡（Trans-flash Card）：2004年正式更名为Micro SD卡。

在sdxc卡仍需进一步坐等其价格下降的情况下，SD4.0规范已经开始在紧张的制订中，这已超出本文的讨论范围内了。

SD卡驱动方式

SD卡共支持三种传输模式：SPI模式、1位SD模式、4位SD模式。所有的SD卡都必须支持较老的SPI/MMC模式，这个模式支持慢速的四线SPI接口，使很多微控制器都可以通过SPI或模拟SPI接口来读写SD卡。万利的LPC5411x开发板通过SPI接口扩展了一个TF卡槽，可以用SPI接口读写TF卡。

SD2.0标准定义了物理层相关规范以及主机控制器规范，SD卡驱动的编写必须参考这两个规范，遵循标准的SD卡均可以采用统一的软件驱动实现数据访问。NXP对于其全系列的芯片提供了sdmmc库中间件用于支持SD/MMC卡的读写，可以在官网下载相应的BSP，里面包含sdmmc库，fsl_sdspi.h/fsl_sdspi.c即为SPI模式访问SD卡的标准驱动，可以直接应用到LPC5411x开发环境中。SD卡驱动最主要实现三个接口，分别是SD卡的识别初始化、SD卡的块读、SD卡的块写，具体实现可以参考fsl_sdspi.h/fsl_sdspi.c驱动文件。

3. Fatfs

数据往往以文件的形式保存在储存设备中，对于SD卡，一般采用的是Fat32文件系统，Fatfs由于其开源免费，支持Fat32，受到了广泛的应用。

Fatfs是由日本工程师ChaN所编写的Fat文件系统模块，从06年发布第一个Fatfs版本开始，作者就从未停止维护和更新。Fatfs的编写遵循ANSI C，并且完全与磁盘I/O层分开。它不依赖于硬件架构，代码和工作区占用空间小，使之可以嵌入到各个低成本的微控制器中，如AVR、8051、PIC、ARM、Z80、68K等。由于SD卡一般使用Fat32文件系统，在使用到SD卡的系统中移植Fatfs，将很好地实现对SD卡文件的管理。

Fatfs模块完全独立于磁盘I/O层，因此底层磁盘I/O访问并不属于Fatfs的模块部分，用户必须自己实现这部分用来访问存储设备。通常在diskio.c中实现这几个函数disk_initialize()、disk_status()、disk_read()、disk_wirte()、disk_ioctl()即可，如果使能了OS相关的特性，则还需额外实现进程/内存函数。其中disk_initialize()对应SD卡驱动中的卡识别初始化接口，disk_read()对应SD卡的块读接口，disk_wirte()对应SD卡的块写接口。NXP对于其全系列的芯片提供了Fatfs中间件的支持，Fatfs对应SD卡驱动接口的具体实现可以参考BSP中已移植好的Fatfs中间件。

4. 读写测试

移植好SD卡驱动以及Fatfs底层对应接口后，就可以用Fatfs应用编程接口读写SD卡里面的文件。应用以2KB大小为读写单位，测试读写10MB大小文件的平均读写速度。

uint8_t TestBuffer[2048];

int main() {

    uint32_t i;

    FATFS fs;

    FIL file;

    FRESULT Res;   

    uint32_t TimeCount;

    uint32_t ByteWrite, ByteRead;

    /* Board pin, clock, debug console init */

    /*attach 12 MHz clock to FLEXCOMM0 (debug console) */

    CLOCK_AttachClk(BOARD_DEBUG_UART_CLK_ATTACH);

    /* enable clock for GPIO*/

    CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Gpio0);
    CLOCK_EnableClock(kCLOCK_Gpio1);

    BOARD_InitPins();
    BOARD_BootClockFROHF96M();
    BOARD_InitDebugConsole();       

    Gpio_Init();

    f_mount(&fs, "4:" , 0);   

    /*

    Res = f_mkfs("", 0, 4096);

    if (Res != RES_OK) {

        PRINTF("f_mkfs error %d\r\n",Res);

        while(1);

    }

    */

    PRINTF("Writing test.bin, file sise10MB\r\n");

    Res= f_open(&file, "4:test.bin", FA_WRITE | FA_CREATE_ALWAYS);

    if (Res != RES_OK) {

        PRINTF("Createfile failed\r\n");

        while(1){

           GPIO_TogglePinsOutput(GPIO,0, 1u << 15);

           Delay_ms(300);        

        }

    }

    for (i=0; i<sizeof(TestBuffer); i++) {

        TestBuffer[i]= i;

    }

    TimeCount =timer_get_current_milliseconds();

    for (i=0;i<10*1024*1024/sizeof(TestBuffer); i++) {

        Res= f_write(&file, &TestBuffer, sizeof(TestBuffer), &ByteWrite);

        if(Res != RES_OK) {

           f_close(&file);

           PRINTF("Writefile error\r\n");

           while(1){

               GPIO_TogglePinsOutput(GPIO,0, 1u << 15);

               Delay_ms(300);

           }

        }

    }

    f_close(&file);

    PRINTF("Sd write speed %dKB/s\r\n", 10*1024*1024/(timer_get_current_milliseconds()-TimeCount));

    PRINTF("Reading test.bin, file sise10MB\r\n");

    Res = f_open(&file, "4:test.bin", FA_READ | FA_OPEN_EXISTING);

    if (Res != RES_OK) {

        PRINTF("Openfile failed\r\n");

        while(1){

           GPIO_TogglePinsOutput(GPIO,0, 1u << 15);

           Delay_ms(300);

        }

    }

    TimeCount = timer_get_current_milliseconds();

    for (i=0;i<10*1024*1024/sizeof(TestBuffer); i++) {

        Res= f_read(&file, (unsigned char *)&TestBuffer, sizeof(TestBuffer),&ByteRead);

        if(Res != RES_OK) {

           f_close(&file);

           PRINTF("Readfile error\r\n");

           while(1){

               GPIO_TogglePinsOutput(GPIO,0, 1u << 15);

               Delay_ms(300);
           }
        }
    }

    f_close(&file);

    PRINTF("Sd read speed %dKB/s\r\n", 10*1024*1024/(timer_get_current_milliseconds()-TimeCount));

    while(1) {

        GPIO_TogglePinsOutput(GPIO,0, 1u << 15);

        Delay_ms(1000);
    }

}

读写速度测试结果如下：

Writing test.bin, file size 10MB
Sd write speed 872 KB/S
Reading test.bin, file size 10MB
Sd read speed 1169 KB/S

SD卡写速度为872 KB/S，读速度为1169 KB/S，SD卡通过SPI接口读写，SPI时钟采用FRO 12M时钟，因此这个读写速度是合适的。SD卡读写速度跟卡速度等级、数据传输速率有关，读写多块要比一块一块分多次读写快，此处测试一次性读取8块(512字节/块)，2048字节，读写速度主要受限于SPI的传输速率，LPC5411x的SPI接口最高支持48M的时钟，SPI可以通过采用PLL时钟、内部高速时钟，进一步提高SPI的传输速率，从而进一步提高SD卡的读写速度。

附录：例程

sd_card_driver.zip

MDK工程，包含SPI模式的SD驱动，Fatfs文件系统模块，SD卡读写速度测试应用例程。

附录：参考文档

• sd物理层协议规范，Part1_Physical_Layer_Simplified_Specification_Ver6.00.PDF，https://www.sdcard.org/downloads/pls/index.html
• sd host控制器协议规范， PartA2_SD Host_Controller_Simplified_Specification_Ver4.20.PDF，https://www.sdcard.org/downloads/pls/index.html