STM32+SD NAND(贴片SD卡)完成FATFS文件系统移植与测试

发布时间:2023-08-23  

一、前言

在STM32项目开发中,经常会用到存储芯片存储数据。 比如:关机时保存机器运行过程中的状态数据,上电再从存储芯片里读取数据恢复;在存储芯片里也会存放很多资源文件。比如,开机音乐,界面上的菜单图标,字库文件,方便设备开机加载。

为了让单片机更加方便的读写这些资源文件,通常都会加文件系统,如果没有文件系统,直接读取写扇区的方式,对数据不好管理。 这篇文章就手把手教大家,在STM32上完成FATFS文件系统的移植;主控芯片采用STM32F103ZET6, 存储芯片我这里采用(雷龙) CS创世 SD NAND 。 SD NAND 简单来说就是贴片式SD卡,使用起来与普通的SD卡一样,简单的区别就是:比TF卡稳定,比eMMC便宜。 下面章节里会详细介绍下 CS创世 SD NAND。

下面是CS创世 SD NAND 与STM32开发的板的接线实物图:

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image-20221206191527228

这是读写扇区测试的结果:

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二、SD NAND 介绍

我当前使用的SD NAND型号是,CSNP32GCR01-AOW,容量是4GB。

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下面是通过编写STM32代码读取的存储信息:


Card Type:SDHC V2.0

Card ManufacturerID:102

Card RCA:5000

Card Capacity:3696 MB

Card BlockSize:512

芯片的详细参数如下:


【1】不用写驱动程序自带坏块管理

【2】尺寸小巧,简单易用,兼容性强,稳定可靠,固件可定制,LGA-8封装

【3】标准SDIO接口,兼容SPI,兼容拔插式TF卡/SD卡,可替代普通TF卡/SD卡

【4】尺寸6.2x8mm,直接贴片,不占空间

【5】内置平均读写算法,通过1万次随机掉电测试

【6】耐高低温,机贴手贴都非常方便

【7】速度级别Class10(读取速度23.5MB/S写入速度12.3MB/S)

【8】支持标准的SD 2.0协议,用户可以直接移植标准驱动代码,省去了驱动代码编程环节。支持TF卡启动的SOC都可以用SD NAND

【9】比TF卡稳定,比eMMC便宜

下面是芯片的实物图: 这是官网申请的样品,焊接了转接板,可以直接插在SD卡卡槽上测试。 最终选型之后,设计PCB板时,设计接口,直接贴片上去使用,非常稳定,抖动也不会导致,外置卡TF卡这种容易松动的问题。

这是雷龙的官网:http://www.longsto.com/product/35.html

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三、编写SD NAND驱动代码

SD NAND 的驱动代码与正常的SD卡协议是一样的,支持标准的SD 2.0协议,下面我就直接贴出写好的驱动代码。

包括了模拟SPI,硬件SPI,SDIO等3种方式,完成对SD NAND 的读写。我当前使用的主控板子是STM32F103ZET6,如果你使用的板子不是这一款,可能还是其他的CPU也没关系;我这里直接贴出了SPI模拟时序的驱动代码,可以直接移植到任何单片机上使用,代码拷贝过去也只需要修改GPIO口即可,非常方便。

3.1 SPI模拟时序驱动方式

(1)整体工程代码

这是当前工程的截图: 代码采用寄存器风格编写,非常简洁。

当前工程完成SD NAND卡初始化,扇区的读写,测试芯片基本的使用情况。

image-20221201181308223

(2) sd.c

#include "sdcard.h"    

static u8  SD_Type=0;  //存放SD卡的类型


/*

函数功能:SD卡底层接口,通过SPI时序向SD卡读写一个字节

函数参数:data是要写入的数据

返 回 值:读到的数据

*/

u8 SDCardReadWriteOneByte(u8 DataTx)

{  

    u8 i;

    u8 data=0;

    for(i=0;i< 8;i++)

    {

        SDCARD_SCK=0;

        if(DataTx&0x80)SDCARD_MOSI=1;

        else SDCARD_MOSI=0;

        SDCARD_SCK=1;

        DataTx< <=1;

        

        data< <=1;

        if(SDCARD_MISO)data|=0x01;

    }

    return data;

}



//4种: 边沿两种、电平是两种

/*

函数功能:底层SD卡接口初始化


本程序SPI接口如下:

PC11  片选 SDCardCS

PC12  时钟 SDCardSCLK

PD2   输出 SPI_MOSI--主机输出从机输入

PC8   输入 SPI_MISO--主机输入从机输出

*/

void SDCardSpiInit(void)

{

  /*1. 开启时钟*/

  RCC- >APB2ENR|=1< < 5;     //使能PORTD时钟

RCC- >APB2ENR|=1< < 4;     //使能PORTC时钟

  

  /*2. 配置GPIO口模式*/

  GPIOC- >CRH&=0xFFF00FF0;

  GPIOC- >CRH|=0x00033008;

  

  GPIOD- >CRL&=0xFFFFF0FF;

  GPIOD- >CRL|=0x00000300;

  

  /*3. 上拉*/

  GPIOC- >ODR|=1< < 8;

  GPIOC- >ODR|=1< < 11;

  GPIOC- >ODR|=1< < 12;

  GPIOD- >ODR|=1< < 2;

}


/*

函数功能:取消选择,释放SPI总线

*/

void SDCardCancelCS(void)

{

SDCARD_CS=1;

  SDCardReadWriteOneByte(0xff);//提供额外的8个时钟

}


/*

函数 功 能:选择sd卡,并且等待卡准备OK

函数返回值:0,成功;1,失败;

*/

void SDCardSelectCS(void)

{

SDCARD_CS=0;

SDCardWaitBusy();//等待成功

}



/*

函数 功 能:等待卡准备好

函数返回值:0,准备好了;其他,错误代码

*/

void SDCardWaitBusy(void)

{

while(SDCardReadWriteOneByte(0XFF)!=0XFF){}

}



/*

函数功能:等待SD卡回应

函数参数:

Response:要得到的回应值

返 回 值:

0,成功得到了该回应值

其他,得到回应值失败

*/

u8 SDCardGetAck(u8 Response)

{

u16 Count=0xFFFF;//等待次数       

while((SDCardReadWriteOneByte(0XFF)!=Response)&&Count)Count--;//等待得到准确的回应    

if(Count==0)return SDCard_RESPONSE_FAILURE;//得到回应失败   

else return SDCard_RESPONSE_NO_ERROR;//正确回应

}



/*

函数功能:从sd卡读取一个数据包的内容

函数参数:

buf:数据缓存区

len:要读取的数据长度.

返回值:

0,成功;其他,失败;

*/

u8 SDCardRecvData(u8*buf,u16 len)

{     

if(SDCardGetAck(0xFE))return 1;//等待SD卡发回数据起始令牌0xFE

    while(len--)//开始接收数据

    {

        *buf=SDCardReadWriteOneByte(0xFF);

        buf++;

    }

    //下面是2个伪CRC(dummy CRC)

    SDCardReadWriteOneByte(0xFF);

    SDCardReadWriteOneByte(0xFF);       

    return 0;//读取成功

}



/*

函数功能:向sd卡写入一个数据包的内容 512字节

函数参数:

buf 数据缓存区

cmd 指令

返 回 值:0表示成功;其他值表示失败;

*/

u8 SDCardSendData(u8*buf,u8 cmd)

{

u16 t;     

SDCardWaitBusy();  //等待忙状态

SDCardReadWriteOneByte(cmd);

if(cmd!=0XFD)//不是结束指令

{

for(t=0;t< 512;t++)SDCardReadWriteOneByte(buf[t]);//提高速度,减少函数传参时间

    SDCardReadWriteOneByte(0xFF); //忽略crc

    SDCardReadWriteOneByte(0xFF);

  t=SDCardReadWriteOneByte(0xFF); //接收响应

if((t&0x1F)!=0x05)return 2;   //响应错误       

}       

    return 0;//写入成功

}




/*

函数功能:向SD卡发送一个命令

函数参数:

u8 cmd   命令 

u32 arg  命令参数

u8 crc   crc校验值

返回值:SD卡返回的响应

*/   

u8 SendSDCardCmd(u8 cmd, u32 arg, u8 crc)

{

u8 r1;

SDCardCancelCS();               //取消上次片选

SDCardSelectCS(); //选中SD卡

//发送数据

SDCardReadWriteOneByte(cmd | 0x40);//分别写入命令

SDCardReadWriteOneByte(arg > > 24);

SDCardReadWriteOneByte(arg > > 16);

SDCardReadWriteOneByte(arg > > 8);

SDCardReadWriteOneByte(arg);   

SDCardReadWriteOneByte(crc); 

if(cmd==SDCard_CMD12)SDCardReadWriteOneByte(0xff);//Skip a stuff byte when stop reading

do

{

r1=SDCardReadWriteOneByte(0xFF);

}while(r1&0x80);   //等待响应,或超时退出

   return r1; //返回状态值

}



/*

函数功能:获取SD卡的CID信息,包括制造商信息

函数参数:u8 *cid_data(存放CID的内存,至少16Byte)   

返 回 值:

0:成功,1:错误

*/

u8 GetSDCardCISDCardOutnfo(u8 *cid_data)

{

    u8 r1;    

    //发SDCard_CMD10命令,读CID

    r1=SendSDCardCmd(SDCard_CMD10,0,0x01);

    if(r1==0x00)

  {

r1=SDCardRecvData(cid_data,16);//接收16个字节的数据  

    }

SDCardCancelCS();//取消片选

if(r1)return 1;

else return 0;

}



/*

函数说明:

获取SD卡的CSD信息,包括容量和速度信息

函数参数:

u8 *cid_data(存放CID的内存,至少16Byte)     

返 回 值:

0:成功,1:错误

*/

u8 GetSDCardCSSDCardOutnfo(u8 *csd_data)

{

u8 r1;  

r1=SendSDCardCmd(SDCard_CMD9,0,0x01);    //发SDCard_CMD9命令,读CSD

if(r1==0)

{

r1=SDCardRecvData(csd_data, 16);//接收16个字节的数据 

}

SDCardCancelCS();//取消片选

if(r1)return 1;

else return 0;

}  



/*

函数功能:获取SD卡的总扇区数(扇区数)   

返 回 值:

0表示容量检测出错,其他值表示SD卡的容量(扇区数/512字节)

说   明:

每扇区的字节数必为512字节,如果不是512字节,则初始化不能通过.

*/

u32 GetSDCardSectorCount(void)

{

    u8 csd[16];

    u32 Capacity;  

  u16 csize;      

    if(GetSDCardCSSDCardOutnfo(csd)!=0) return 0; //取CSD信息,如果期间出错,返回0

    if((csd[0]&0xC0)==0x40)  //SDHC卡,按照下面方式计算

    {

csize = csd[9] + ((u16)csd[8] < < 8) + 1;

Capacity = (u32)csize < < 10;//得到扇区数    

    }

    return Capacity;

}



/*

函数功能: 初始化SD卡

返 回 值: 非0表示初始化失败!

*/

u8 SDCardDeviceInit(void)

{

  u8 r1;      // 存放SD卡的返回值

  u8 buf[4];  

u16 i;

SDCardSpiInit();//初始化底层IO口

  for(i=0;i< 10;i++)SDCardReadWriteOneByte(0xFF); //发送最少74个脉冲

do

{

r1=SendSDCardCmd(SDCard_CMD0,0,0x95);//进入IDLE状态 闲置

}while(r1!=0X01);

  SD_Type=0;   //默认无卡

if(r1==0X01)

{

if(SendSDCardCmd(SDCard_CMD8,0x1AA,0x87)==1)  //SD V2.0

{

for(i=0;i< 4;i++)buf[i]=SDCardReadWriteOneByte(0XFF);

if(buf[2]==0X01&&buf[3]==0XAA)    //卡是否支持2.7~3.6V

{

do

{

SendSDCardCmd(SDCard_CMD55,0,0X01);     //发送SDCard_CMD55

r1=SendSDCardCmd(SDCard_CMD41,0x40000000,0X01);//发送SDCard_CMD41

}while(r1);

if(SendSDCardCmd(SDCard_CMD58,0,0X01)==0)//鉴别SD2.0卡版本开始

{

for(i=0;i< 4;i++)buf[i]=SDCardReadWriteOneByte(0XFF);//得到OCR值

if(buf[0]&0x40)SD_Type=SDCard_TYPE_V2HC;    //检查CCS

else SD_Type=SDCard_TYPE_V2;   

}

}

}

}

printf("SD_Type=0x%Xrn",SD_Type);

SDCardCancelCS();       //取消片选

if(SD_Type)return 0;  //初始化成功返回0

else if(r1)return r1; //返回值错误值    

return 0xaa;          //其他错误

}



/*

函数功能:读SD卡

函数参数:

buf:数据缓存区

sector:扇区

cnt:扇区数

返回值:

0,ok;其他,失败.

说  明:

SD卡一个扇区大小512字节

*/

u8 SDCardReadData(u8*buf,u32 sector,u32 cnt)

{

u8 r1;

if(SD_Type!=SDCard_TYPE_V2HC)sector< <=9;//转换为字节地址

if(cnt==1)

{

r1=SendSDCardCmd(SDCard_CMD17,sector,0X01);//读命令

if(r1==0)   //指令发送成功

{

r1=SDCardRecvData(buf,512); //接收512个字节    

}

}else

{

r1=SendSDCardCmd(SDCard_CMD18,sector,0X01);//连续读命令

do

{

r1=SDCardRecvData(buf,512);//接收512个字节  

buf+=512;  

}while(--cnt && r1==0);

SendSDCardCmd(SDCard_CMD12,0,0X01); //发送停止命令

}   

SDCardCancelCS();//取消片选

return r1;//

}


/*

函数功能:向SD卡写数据

函数参数:

buf:数据缓存区

sector:起始扇区

cnt:扇区数

返回值:

0,ok;其他,失败.

说  明:

SD卡一个扇区大小512字节

*/

u8 SDCardWriteData(u8*buf,u32 sector,u32 cnt)

{

u8 r1;

if(SD_Type!=SDCard_TYPE_V2HC)sector *= 512;//转换为字节地址

if(cnt==1)

{

r1=SendSDCardCmd(SDCard_CMD24,sector,0X01);//读命令

if(r1==0)//指令发送成功

{

r1=SDCardSendData(buf,0xFE);//写512个字节    

}

}

else

{

if(SD_Type!=SDCard_TYPE_MMC)

{

SendSDCardCmd(SDCard_CMD55,0,0X01);

SendSDCardCmd(SDCard_CMD23,cnt,0X01);//发送指令

}

  r1=SendSDCardCmd(SDCard_CMD25,sector,0X01);//连续读命令

if(r1==0)

{

do

{

r1=SDCardSendData(buf,0xFC);//接收512个字节  

buf+=512;  

}while(--cnt && r1==0);

r1=SDCardSendData(0,0xFD);//接收512个字节 

}

}   

SDCardCancelCS();//取消片选

return r1;//

}

(3) sd.h

#ifndef SD_H

#define SD_H_  

#include "stm32f10x.h"

#include "led.h"

#include "usart.h"


/*----------------------------------------------

本程序SPI接口如下:

PC11  片选 SDCardCS

PC12  时钟 SDCardSCLK

PD2   输出 SPI_MOSI--主机输出从机输入

PC8   输入 SPI_MISO--主机输入从机输出

------------------------------------------------*/

#define SDCARD_CS PCout(11)

#define SDCARD_SCK PCout(12)

#define SDCARD_MOSI PDout(2)

#define SDCARD_MISO PCin(8)



// SD卡类型定义  

#define SDCard_TYPE_ERR     0X00  //卡类型错误

#define SDCard_TYPE_MMC     0X01  //MMC卡

#define SDCard_TYPE_V1      0X02

文章来源于:电子工程世界    原文链接
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