玩转物联网人工智能小车（ESP32）：使用63 SD和TF卡模块指南

摘要：本文介绍SD和TF卡模块的使用方法

前面介绍了非易失性存储的使用方法，由于空间和本身只支持键值对的限制，非易失性存储只适用于少量数据的记录。而不适用于各种声音、图片、大量数据等情况的使用。这时候就需要有文件系统或者更大容量存储空间的支持。SD卡（Secure Digital Memory Card）和TF卡（Trans-flash Card，也叫Micro SD卡）就是扩展存储空间的不错的选择，因为这两种卡都支持SPI模式，也就是可以通过SPI通信协议直接访问，因此这两种卡成了很多移动设备扩展存储空间的不二选择。

SD卡通常有两种工作模式：SDIO模式和SPI模式。其实这也是两种通信协议，也就是说SD卡支持SDIO和SPI两种通信方式。SPI通信协议在前面已经介绍过了。SDIO是安全数字输入输出接口（Secure Digital Input and Output）的缩写，是从SD内存卡接口的基础上演化出来的一种外设接口。SDIO接口兼容以前的SD内存卡，并且可以连接支持SDIO接口的设备。SDIO接口有4根数据线，数据传输速度非常快。有兴趣的可以进一步的了解SDIO的详细信息。

下面来看一下SD卡和TF卡的接口定义：

通过上面的接口可知，应该有两种方法用来读取SD卡上的数据，一种是通过SDIO接口，一种是SPI接口，为了简单方便，现在大部分访问SD卡都使用SPI的方式，市面上能买到的SD开模块，也都是SPI接口的。

虽然可以直接把SD卡与ESP32单片机相连接来进行数据的读写操作，但接线不是那么方便，因此还是使用的功能模块来进行实验，通常的功能模块都是只支持SPI模式的，将SD卡的SPI数据线引出到了接线排针上。因为现在TF卡更普遍一些，因此这次使用的是TF卡模块，其使用方法与SD卡功能模块没有任何区别。模块的样子如下图所示：

熟悉SPI协议的应该对上图中的引脚非常的属性了，应该不需要再进一步的解释了，不了解的可以看之前关于SPI通信协议的文章。下面就把TF卡模块连接到我们的ESP32单片机引脚上。

ESP32芯片共有3个SPI接口，其中一个被用作片上SPI Flash使用，另外两个可以给开发人员使用，其引脚定义如下：

其中的QUADWP为写保护信号，QUADHD为保持信号。这两个引脚只用于4位传输。

在设计电路的时候，可以尽量使用默认的引脚，这样在开发中就不需要再进行额外的配置了。当然，ESP32在强大的GPIO交换矩阵的支持下，基本上可以用任意的引脚来连接到SPI控制器，实现使用任意引脚与外部SPI设备的连接。我所使用的连接方法如下表所示：

这是使用VSPI默认引脚的连接方法。SPI通信协议中有明显的主从设备定义，因此收发引脚也明确了主从，这样连接起来就非常的方便，不容易接错。回想前面UART通信协议中，收发引脚都是站在自身的角度来说的，因此在与其他设备通信的时候，就应该自己的接收与对方的发送相连接，对方的接收与自己的发送相连接。这点不同之处要关注一下，很容易搞错了。

接下来就来看一下在Arduino IDE中，如何读写SD卡中的内容，这其中会包含非默认引脚的处理方法。下面来看一下主要的操作过程。

1. 引入头文件

#include "SD.h"

#include "SPI.h"

2. 配置SPI通信引脚

如果使用HSPI的默认引脚，那么可以忽略本步骤，直接进入到下一步。否则，就需要使用这里列举的几种方法来配置SPI的通信引脚。通常有下面两种方法：

（1）调用SPI实例的begin()方法来指定SPI通信的引脚，该方法的定义如下：

void begin(int8_t sck = -1, int8_t miso = -1, int8_t mosi = -1, int8_t ss = -1)

这个方法有4个参数，依次是：sck、miso、mosi和ss。

（2）创建一个新的SPIClass的实例

SPIClass spi = SPIClass(VSPI);

创建的时候可以指定使用VSPI控制器，也可以使用默认的HSPI控制器。如果这个时候恰好使用的就是VSPI的默认引脚，那么就不用再进行任何操作了，如果是自己随意选择的几个引脚，那么同样可以调用begin()方法来指定每一个引脚。具体方法同前一种一样，默认的SPI实例就是SPIClass类型的。

3. 初始化SD实例

SD是SDFS类的实例。其初始化方法begin()的定义如下：

bool begin(uint8_t ssPin = SS, SPIClass &spi = SPI,
uint32_t frequency = 4000000, const char *mountpoint = "/sd",
uint8_t max_files = 5, bool format_if_empty = false)

这个begin()方法的参数比较多，重点关注前两个，第一个是片选引脚。第二个就是前面创建的SPIClass类的配置信息。默认值是SPI，如果自己生成了新的SPIClass对象的实例，那么把它作为第二个参数传递给begin()方法。

这个begin()方法返回值位布尔类型的，true表示成功，false表示初始化失败。这时，应检查接线是否牢固、正确。前边的初始化配置与接线是否相符合。

4. 得到卡的类型

调用SD.cardType()方法可以得到卡的类型。该方法返回一个枚举类型的变量，该枚举类型可以有以下几个数值：

    CARD_NONE 无卡

    CARD_MMC MMC卡

    CARD_SD SD卡

    CARD_SDHC SDHC卡

    CARD_UNKNOWN 未知

下面再说一下SD卡类型的小知识。目前SD卡分为三种，分别是SD、SDHC和SDXC卡。这三者的区别是容量上限的不同，其次在传输速度上有的有些差别，但传输速度不是划分的标准。SD卡是由MMC卡发展而来的，最早的SD卡由于FAT16文件系统的限制，其最大容量只有2GB，所以在开发中，小于2GB容量的SD卡，就叫SD卡。容量在2GB至32GB之间的称为SDHC（Secure Digital High Capacity），也就是高容量的SD卡。它使用了FAT32文件系统，能够支持大于2G的文件。相比之下，SDXC（Secure Digital eXtended Capacity）卡的容量更大，可以达到2TB（2048GB）。它是为需要更高容量的设备设计的，并且支持更快的读写速度。SDXC使用了FAT32或者EXFAT文件系统。

设备读取SD卡是向下兼容的，支持高容量的设备是可以读取低容量SD卡的，只支持低容量SD卡的设备，则无法读写高容量SD卡中的内容。这里所说的容量的高低是以2GB和32GB为分界线的。

之后，利用SD实例就可以对SD卡中的目录和文件进行各种操作了。这将在下一篇中进行介绍。