HAL库 CubeMX STM32采用SDIO实现对SD卡和NAND Flash的读写

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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

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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>

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

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

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

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

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

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

  9. uint32_t i;

  10. extern DMA_HandleTypeDef hdma_sdio;

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

  12. {

  13. /*

  14. huart1是工具生成代码定义的UART1结构体,

  15. 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。

  16. */

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

  18. return 1;

  19. }

  20. // 打印SD卡基本信息

  21. void show_sdcard_info(void)

  22. {

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

  24. /* 检测SD卡是否正常(处于数据传输模式的传输状态) */

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

  26. {

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

  28. // 打印SD卡基本信息

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

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

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

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

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

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

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

  36. // 读取并打印SD卡的CID信息

  37. HAL_SD_CardCIDTypeDef sdcard_cid;

  38. HAL_SD_GetCardCID(&hsd,&sdcard_cid);

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

  40. }

  41. else

  42. {

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

  44. }

  45. }

  46. /* 擦除SD卡块 */

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

  48. {

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

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

  51. {

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

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

  54. {

  55. }

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

  57. }

  58. else

  59. {

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

  61. }

  62. }

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. }

  18. /* 读取操作之后的数据 */

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

  20. {

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

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

  23. {

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

  25. {

  26. }

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

  28. }

  29. else

  30. {

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

  32. }

  33. }

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;

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

  7. HAL_DMA_DeInit(&hdma_sdio);

  8. hdma_sdio.Instance = DMA2_Channel4;

  9. hdma_sdio.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;

  10. hdma_sdio.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;

  11. hdma_sdio.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;

  12. hdma_sdio.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_WORD;

  13. hdma_sdio.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_WORD;

  14. hdma_sdio.Init.Mode = DMA_NORMAL;

  15. hdma_sdio.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;

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

  17. {

  18. Error_Handler();

  19. }

  20. __HAL_LINKDMA(hsd,hdmarx,hdma_sdio);

  21. MX_SDIO_SD_Init();

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

  23. return Return_Status;

  24. }

  25. //非阻塞式DMA写

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

  27. {

  28. HAL_StatusTypeDef Return_Status;

  29. HAL_SD_CardStateTypeDef SD_Card_Status;

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

  31. HAL_DMA_DeInit(&hdma_sdio);

  32. hdma_sdio.Instance = DMA2_Channel4;

  33. hdma_sdio.Init.Direction = DMA_PERIPH_TO_MEMORY;

  34. hdma_sdio.Init.PeriphInc = DMA_PINC_DISABLE;

  35. hdma_sdio.Init.MemInc = DMA_MINC_ENABLE;

  36. hdma_sdio.Init.PeriphDataAlignment = DMA_PDATAALIGN_WORD;

  37. hdma_sdio.Init.MemDataAlignment = DMA_MDATAALIGN_WORD;

  38. hdma_sdio.Init.Mode = DMA_NORMAL;

  39. hdma_sdio.Init.Priority = DMA_PRIORITY_LOW;

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

  41. {

  42. Error_Handler();

  43. }

  44. __HAL_LINKDMA(hsd,hdmarx,hdma_sdio);

  45. MX_SDIO_SD_Init();

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

  47. return Return_Status;

  48. }

主函数里代码如下:

  1. /* USER CODE BEGIN 2 */

  2. HAL_StatusTypeDef Return_Status;

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

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

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

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

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

  8. //查看读取到的数据

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

  10. {

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

  12. }

  13. /* 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

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