基于STM32采用CS创世 SD NAND(贴片SD卡)完成FATFS文件系统移植与测试

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：

这是读写扇区测试的结果：

二、SD NAND 介绍

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

下面是通过编写STM32代码读取的存储信息：

1. Card Type:SDHC V2.0

2. Card ManufacturerID:102

3. Card RCA:5000

4. Card Capacity:3696 MB

5. 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

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。

（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%X\r\n",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

#define SDCard_TYPE_V2      0X04

#define SDCard_TYPE_V2HC    0X06    

// SD卡指令表      

#define SDCard_CMD0    0       //卡复位

#define SDCard_CMD1    1

#define SDCard_CMD8    8       //命令8 ，SEND_IF_COND

#define SDCard_CMD9    9       //命令9 ，读CSD数据

#define SDCard_CMD10   10      //命令10，读CID数据

#define SDCard_CMD12   12      //命令12，停止数据传输

#define SDCard_CMD13   16      //命令16，设置扇区大小 应返回0x00

#define SDCard_CMD17   17      //命令17，读扇区

#define SDCard_CMD18   18      //命令18，读Multi 扇区

#define SDCard_CMD23   23      //命令23，设置多扇区写入前预先擦除N个block

#define SDCard_CMD24   24      //命令24，写扇区

#define SDCard_CMD25   25      //命令25，写多个扇区

#define SDCard_CMD41   41      //命令41，应返回0x00

#define SDCard_CMD55   55      //命令55，应返回0x01

#define SDCard_CMD58   58      //命令58，读OCR信息

#define SDCard_CMD59   59      //命令59，使能/禁止CRC，应返回0x00、

/*SD卡回应标记字*/

#define SDCard_RESPONSE_NO_ERROR      0x00   //正确回应

#define SDCard_SD_IN_IDLE_STATE       0x01   //闲置状态

#define SDCard_SD_ERASE_RESET         0x02   //擦除复位

#define SDCard_RESPONSE_FAILURE       0xFF   //响应失败

  

//函数声明              

u8 SDCardReadWriteOneByte(u8 data);                 //底层接口，SPI读写字节函数

void SDCardWaitBusy(void);             //等待SD卡准备

u8 SDCardGetAck(u8 Response);         //获得应答

u8 SDCardDeviceInit(void);             //初始化

u8 SDCardReadData(u8*buf,u32 sector,u32 cnt);     //读块(扇区)

u8 SDCardWriteData(u8*buf,u32 sector,u32 cnt);   //写块(扇区)

u32 GetSDCardSectorCount(void);            //读扇区数

u8 GetSDCardCISDCardOutnfo(u8 *cid_data);           //读SD卡CID

u8 GetSDCardCSSDCardOutnfo(u8 *csd_data);           //读SD卡CSD

#endif

（4）运行效果

3.2 SPI硬件时序方式

上面的3.1小节是采用SPI模拟时序驱动SD NAND，STM32本身集成有SPI硬件模块，可以直接利用STM32硬件SPI接口读写。

下面贴出底层的适配代码。 上面贴出的驱动代码里，已经将驱动接口部分和协议逻辑部分区分开了，替换底层的SIP读写代码非常方便。

（1）主要替换的代码

/*

函数功能：SPI初始化(模拟SPI)

硬件连接：

MISO--->PB14

MOSI--->PB15

SCLK--->PB13

*/

void SPI_Init(void)

{

/*开启时钟*/

RCC->APB1ENR|=1<<14;   //开启SPI2时钟

RCC->APB2ENR|=1<<3;    //PB

GPIOB->CRH&=0X000FFFFF; //清除寄存器

GPIOB->CRH|=0XB8B00000;

GPIOB->ODR|=0X7<<13;     //PB13/14/15上拉--输出高电平

/*SPI2基本配置*/

SPI2->CR1=0X0;  //清空寄存器

SPI2->CR1|=0<<15; //选择“双线双向”模式

SPI2->CR1|=0<<11; //使用8位数据帧格式进行发送/接收；

SPI2->CR1|=0<<10; //全双工(发送和接收)；

SPI2->CR1|=1<<9;  //启用软件从设备管理

SPI2->CR1|=1<<8;  //NSS

SPI2->CR1|=0<<7;  //帧格式，先发送高位

SPI2->CR1|=0x0<<3;//当总线频率为36MHZ时，SPI速度为18MHZ，高速。

SPI2->CR1|=1<<2;  //配置为主设备

SPI2->CR1|=1<<1;  //空闲状态时， SCK保持高电平。

SPI2->CR1|=1<<0;  //数据采样从第二个时钟边沿开始。

SPI2->CR1|=1<<6;  //开启SPI设备。

}

/*

函数功能：SPI读写一个字节

*/

u8 SPI_ReadWriteOneByte(u8 data_tx)

{

    u16 cnt=0;  

    while((SPI2->SR&1<<1)==0)  //等待发送区空--等待发送缓冲为空

    {

      cnt++;

      if(cnt>=65530)return 0;    //超时退出  u16=2个字节

    }

    SPI2->DR=data_tx;            //发送一个byte 

    cnt=0;

    while((SPI2->SR&1<<0)==0)  //等待接收完一个byte   

    {

      cnt++;

      if(cnt>=65530)return 0;    //超时退出

    }        

    return SPI2->DR;           //返回收到的数据

}

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)

{  

    return SPI_ReadWriteOneByte(DataTx);

}

（2）运行效果