使用HAL库和CubeMX在STM32上实现SD卡和NAND Flash的读写功能

目录

　　完整项目源代码下载地址：HAL库CubeMX STM32采用SDIO实现对SD卡和NAND Flash的读写资源-CSDN文库

　　一、选择合适的存储芯片。

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　　二、SD卡/SD NAND底层原理

　　三、硬件设计

　　1、SD NAND引脚图

　　2、芯片外观及封装：

　　3、硬件电路原理图

　　4、测试用转接板实物图

　　四、 CubeMX配置STM32具体步骤

　　1、时钟和系统配置

　　2、配置SDIO

　　3、配置DMA （可选）

　　4、设置串口

　　五、代码编写

　　1、公共代码

　　2、常规方式读写

　　3、DMA方式读写

　　六、结果分析

　　1、输入的函数参数是扇区编号，而不是实际偏移地址。

　　2、测试结果

　　完整项目源代码下载地址：HAL库CubeMXSTM32采用SDIO实现对SD卡和NANDFlash的读写资源-CSDN文库

　　一、选择合适的存储芯片。

　　最近在做一个项目，需要实现大量存储读取数据，但是stm32上自带的存储器容量太小了，比如我用的这款STM32F103ZET6本身的flash容量为512K，不够用。

　　相关单片机芯片型号资源如下：

　

　　最终项目采用的方案是：雷龙公司提供的CSNP4GCR01这款SD NAND。当然也可以用TF卡，使用方法都是采用SDIO总线驱动，程序都是一模一样的，但是这款相较于普通的TF卡有更多的优势，具体体现在以下几点：

　　在一些贴片芯片的PCB设计中，无论是在面积有着严格要求中还是在实际恶劣环境中，并且胜在价格、封装以及稳定性上有优势，综合来说性价比更高，雷龙公司提供的CS SD NAND FLASH方案占有明显优势，这也正是我在项目中选择使用它的原因。

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　　二、SD卡/SD NAND底层原理

　　根据SD卡的容量，可划分为SDSC、SDHC、SDXC三种标准。现今，市场的主流SD产品是SDHC和SDXC这两种较大容量的存储卡，而SDSC卡因容量过小，已逐渐被市场淘汰。SD卡（三种卡的统称）的存储空间是由一个一个扇区组成的，SD卡的扇区大小是512byte，若干个扇区又可以组成一个分配单元（也被成为簇），分配单元常见的大小为4K、8K、16K、32K、64K。

　　具体原理这里我就不具体写了，网上有很多，可以参考以下链接：

　　SD NAND 的 SDIO在STM32上的应用详解(上篇）_sdio接两个芯片_深圳市雷龙发展有限公司的博客-CSDN博客

　　三、硬件设计

　　1、SD NAND引脚图

　　2、芯片外观及封装：

　　3、硬件电路原理图

　　如下，可以看到，我们只需要在芯片外围加上几个电阻、电容即可使用，这样可以很轻易的集成在我们自己的PCB封装上。

　　4、测试用转接板实物图

　　此次实验用的开发实物图：

　　运行中的实物图：

　　四、 CubeMX配置STM32具体步骤

　　1、时钟和系统配置

　　2、配置SDIO

　　（1）Clock transition on which the bit capture is made： Rising transition。主时钟 SDIOCLK 产生 CLK 引脚时钟有效沿选择，可选上升沿或下降沿，它设定 SDIO 时钟控制寄存器(SDIO_CLKCR)的 NEGEDGE 位的值，一般选择设置为上升沿。（参考链接）

　　（2）SDIO Clock divider bypass：Disbale。时钟分频旁路使用，可选使能或禁用，它设定 SDIO_CLKCR 寄存器的 BYPASS 位。如果使能旁路，SDIOCLK 直接驱动 CLK 线输出时钟；如果禁用，使用 SDIO_CLKCR 寄存器的 CLKDIV 位值分频 SDIOCLK，然后输出到 CLK 线。一般选择禁用时钟分频旁路。

　　（3）SDIO Clock output enable when the bus is idle： Disable the power save for the clock。节能模式选择，可选使能或禁用，它设定 SDIO_CLKCR 寄存器的 PWRSAV 位的值。如果使能节能模式，CLK 线只有在总线激活时才有时钟输出；如果禁用节能模式，始终使能 CLK 线输出时钟。

　　（4）SDIO hardware flow control： The hardware control flow is disabled。硬件流控制选择，可选使能或禁用，它设定 SDIO_CLKCR 寄存器的 HWFC_EN 位的值。硬件流控制功能可以避免 FIFO 发送上溢和下溢错误。

　　SDIOCLK clock divide factor： 6。时钟分频系数，它设定 SDIO_CLKCR 寄存器的 CLKDIV 位的值，设置 SDIOCLK 与 CLK 线输出时钟分频系数：

　　CLK 线时钟频率=SDIOCLK/([CLKDIV+2])。

　　识别卡阶段：时钟频率 FOD，最高为 400kHz

　　数据传输模式：时钟频率FPP，默认最高为 25MHz

　　如果通过相关寄存器配置使 SDIO 工作在高速模式，此时数据传输模式最高频率为 50MHz

　　### 注意：刚开始我做的过程中，参考了下面的SDIOCLK，然后就设置了时钟分频系数为0，导致CLK 线时钟频率=72/([0+2])=36M大于最高数据传输速率25M，生成代码后，程序一直卡死在SDIO初始化函数中，导致SD卡初始化失败。

　　仔细查看上面的第二点（2），由于在我们之前配置中禁用了时钟分频旁路，所以我们不能参考下面这个SDIOCLK，所以实际使用SDIOCLK=72M，应该设置时钟分频系数为2以上。

　　3、配置DMA （可选）

　　在一些实际使用场合中，比如需要把摄像头帧数据存储到SD卡，需要高效的存储和取用大量数据时，我们往往采用DMA，减轻CPU的负担。

　　SDIO 外设支持生成 DMA 请求，使用 DMA 传输可以提高数据传输效率，因此在 SDIO 的控制代码中，可以把它设置为 DMA 传输模式。

　　4、设置串口

　　打开串口，方便通过串口实时打印出SD卡的信息以及查看调试信息。

　　五、代码编写

　　1、公共代码

　　以下两种模式下添加的公共代码部分

1. #include <stdio.h>

2. #include <string.h>

4. #define BLOCK_START_ADDR         0     /* Block start address      */

5. #define NUM_OF_BLOCKS            1     /* 扇区编号  */

6. #define BUFFER_WORDS_SIZE        ((BLOCKSIZE * NUM_OF_BLOCKS) >> 2) /* Total data size in bytes */

8. //这里定义大小为512byte,正好是SD卡一个扇区,偏移地址0x00000200

9. uint8_t Buffer_Tx[512],Buffer_Rx[512] = {0};

10. uint8_t Buffer_Tx_DMA[1024],Buffer_Rx_DMA[1024] = {0};

11. uint32_t i;

13. extern DMA_HandleTypeDef hdma_sdio;

15. int fputc(int c, FILE *stream)    //重写fputc函数

16. {

17.  /*

18.     huart1是工具生成代码定义的UART1结构体，

19.     如果以后要使用其他串口打印，只需要把这个结构体改成其他UART结构体。

20. */

21.     HAL_UART_Transmit(&huart1, (unsigned char *)&c, 1, 1000);   

22.     return 1;

23. }

26. // 打印SD卡基本信息

27. void show_sdcard_info(void)

28. {

29. printf("Micro SD Card Test…\r\n");

30. /* 检测SD卡是否正常（处于数据传输模式的传输状态） */

31. if(HAL_SD_GetCardState(&hsd) == HAL_SD_CARD_TRANSFER)

32. {      

33. printf("Initialize SD card successfully!\r\n");

34. // 打印SD卡基本信息

35. printf(" SD card information! \r\n");

36. printf(" CardCapacity   : %llu \r\n", (unsigned long long)hsd.SdCard.BlockSize * hsd.SdCard.BlockNbr);// 显示容量

37. printf(" CardBlockSize  : %d \r\n", hsd.SdCard.BlockSize);   // 块大小

38. printf(" LogBlockNbr    : %d \r\n", hsd.SdCard.LogBlockNbr); // 逻辑块数量

39. printf(" LogBlockSize   : %d \r\n", hsd.SdCard.LogBlockSize);// 逻辑块大小

40. printf(" RCA                  : %d \r\n", hsd.SdCard.RelCardAdd);  // 卡相对地址

41. printf(" CardType             : %d \r\n", hsd.SdCard.CardType);    // 卡类型

42. // 读取并打印SD卡的CID信息

43. HAL_SD_CardCIDTypeDef sdcard_cid;

44. HAL_SD_GetCardCID(&hsd,&sdcard_cid);

45. printf(" ManufacturerID: %d \r\n",sdcard_cid.ManufacturerID);

46. }

47. else

48. {

49. printf("SD card init fail!\r\n" );

50. }

51. }

53. /* 擦除SD卡块 */

54. void erase_sdcard(SD_HandleTypeDef *hsd, uint32_t BlockStartAdd, uint32_t BlockEndAdd)

55. {

56.   printf("——————- Block Erase ——————————-\r\n");

57.   if(HAL_SD_Erase(hsd, BlockStartAdd, BlockEndAdd) == HAL_OK)

58.   {

59.     /* Wait until SD cards are ready to use for new operation */

60.     while(HAL_SD_GetCardState(hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER)

61.     {

62.     }

63.     printf("\r\nErase Block Success!\r\n");

64.   }

65.   else

66.   {

67.       printf("\r\nErase Block Failed!\r\n");

68.   }

69. }

　　2、常规方式读写

1. /* 填充缓冲区数据 */

2. void write_sdcard(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData, uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks, uint32_t Timeout)

3. {

4.   /* 向SD卡块写入数据 */

5.   printf("——————- Start Write SD card block data ——————\r\n");

6.   if(HAL_SD_WriteBlocks(hsd, pData, BlockAdd, NumberOfBlocks, Timeout) == HAL_OK)

7.   {

8.     while(HAL_SD_GetCardState(hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER)

9.     {

10.     }

11.     printf("\r\nWrite Block Success!\r\n");

12.   }

13.   else

14.   {

15.     printf("\r\nWrite Block Failed!\r\n");

16.   }

17. }

19. /* 读取操作之后的数据 */

20. void read_sdcard(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData, uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks, uint32_t Timeout)

21. {

22.   printf("——————- Start Read SD card block data ——————\r\n");

23.   if(HAL_SD_ReadBlocks(hsd, pData, BlockAdd, NumberOfBlocks, Timeout) == HAL_OK)

24.   {

25.     while(HAL_SD_GetCardState(hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER)

26.     {

27.     }

28.     printf("\r\nRead Block Success!\r\n");

29.   }

30.   else

31.   {

32.     printf("\r\nRead Block Failed!\r\n");

33.   }

34. }

　　主函数里代码如下：

1.   /* USER CODE BEGIN 2 */

2. show_sdcard_info();

3. //擦除5个扇区

4. erase_sdcard(&hsd, 0, 5);

5. memset(Buffer_Tx, 0x55, sizeof(Buffer_Tx));

6. write_sdcard(&hsd, Buffer_Tx, 1, 2, 10);

7. read_sdcard(&hsd, Buffer_Rx, 1, 2, 10);

8. //查看读取到的数据

9. for(i = 0; i < sizeof(Buffer_Rx)/sizeof(Buffer_Rx[0]); i++)

10. {

11.    printf("0x%02x:%02x ", i, Buffer_Rx[i]);

12. }

13.   /* USER CODE END 2 */

　　3、DMA方式读写

　　这里需要注意：SDIO DMA每次由读数据变为写数据或者由写数据变为读数据时，都需要重新初始化DMA，是为了更改数据传输的方向。

　　（这里特别坑，参考别的博主的代码发现不能用，经过自己亲自修改后，代码更改了很多次才发现这个问题，以下代码验证通过可直接使用）

1. //非阻塞式DMA读

2. HAL_StatusTypeDef SDIO_ReadBlocks_DMA(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData, uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks)

3. {

4. HAL_StatusTypeDef Return_Status;

5. HAL_SD_CardStateTypeDef SD_Card_Status;

7. do{ SD_Card_Status = HAL_SD_GetCardState(hsd);}while(SD_Card_Status != HAL_SD_CARD_TRANSFER );

9. HAL_DMA_DeInit(&hdma_sdio);

10. hdma_sdio.Instance = DMA2_Channel4;

11. hdma_sdio.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;

12. hdma_sdio.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;

13. hdma_sdio.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;

14. hdma_sdio.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_WORD;

15. hdma_sdio.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_WORD;

16. hdma_sdio.Init.Mode = DMA_NORMAL;

17. hdma_sdio.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;

18. if (HAL_DMA_Init(&hdma_sdio) != HAL_OK)

19. {

20. Error_Handler();

21. }

22. __HAL_LINKDMA(hsd,hdmarx,hdma_sdio);

24. MX_SDIO_SD_Init();

26. Return_Status = HAL_SD_ReadBlocks_DMA(hsd, pData, BlockAdd, NumberOfBlocks);

28. return Return_Status;

29. }

31. //非阻塞式DMA写

32. HAL_StatusTypeDef SDIO_WriteBlocks_DMA(SD_HandleTypeDef *hsd, uint8_t *pData, uint32_t BlockAdd, uint32_t NumberOfBlocks)

33. {

34. HAL_StatusTypeDef Return_Status;

35. HAL_SD_CardStateTypeDef SD_Card_Status;

36. do{ SD_Card_Status = HAL_SD_GetCardState(hsd);}while(SD_Card_Status != HAL_SD_CARD_TRANSFER );

38. HAL_DMA_DeInit(&hdma_sdio);

39. hdma_sdio.Instance = DMA2_Channel4;

40. hdma_sdio.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;

41. hdma_sdio.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;

42. hdma_sdio.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;

43. hdma_sdio.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_WORD;

44. hdma_sdio.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_WORD;

45. hdma_sdio.Init.Mode = DMA_NORMAL;

46. hdma_sdio.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;

47. if (HAL_DMA_Init(&hdma_sdio) != HAL_OK)

48. {

49. Error_Handler();

50. }

51. __HAL_LINKDMA(hsd,hdmarx,hdma_sdio);

53. MX_SDIO_SD_Init();

55. Return_Status = HAL_SD_WriteBlocks_DMA(hsd,pData, BlockAdd, NumberOfBlocks);

57. return Return_Status;

58. }

　　主函数里代码如下：

1. /* USER CODE BEGIN 2 */

3. HAL_StatusTypeDef Return_Status;

4. memset(Buffer_Tx_DMA, 0x55, sizeof(Buffer_Tx_DMA));

5. Return_Status = SDIO_WriteBlocks_DMA(&hsd,Buffer_Tx_DMA, 0, 1);

6. printf("write status :%d\r\n",Return_Status);

7. Return_Status = SDIO_ReadBlocks_DMA(&hsd,Buffer_Rx_DMA, 0, 2);

8. printf("read status :%d\r\n",Return_Status);

9. //查看读取到的数据

10. for(i = 0; i < sizeof(Buffer_Rx_DMA)/sizeof(Buffer_Rx_DMA[0]); i++)

11. {

12.   printf("0x%02x:%02x ", i, Buffer_Rx_DMA[i]);

13. }

15. /* USER CODE END 2 */

　　六、结果分析

　　1、输入的函数参数是扇区编号，而不是实际偏移地址。

　　SD卡的扇区大小是512byte ，所以每个扇区的偏移地址是0x200

　　这里的参数要传入SD卡扇区的编号，而不是地址，进入原函数我们可以看到官方内部已经帮我们做好了地址偏移。

　　2、测试结果