基于RT-Thread的STM32开发第十二讲SD卡篇——DFS文件系统

前言

一、SD卡？

容量分类

二、工程创建

[2.1 cubemx](#2.1 cubemx)

[2.2 rt-thread setting](#2.2 rt-thread setting)

[2.3 其他配置](#2.3 其他配置)

三、代码编写

[3.1 sdio_sd.c](#3.1 sdio_sd.c)

[3.2 sdio_sd.h](#3.2 sdio_sd.h)

四、结果演示

前言

在十二讲flsh篇中我们介绍了使用DFS文件系统去管理外置flash芯片的存储空间，初次之外还有一个我们很常见的外置存储，就是SD卡，那么本文就是基于DFS文件系统来管理SD卡。开发板是正点原子的STM32F4探索者，使用的RT-Thread驱动是5.2.2。

关于DFS文件系统的介绍在十二讲第一篇有，本文就不重复了。

一、SD卡？

SD卡（Secure Digital Memory Card）是一种基于闪存技术的便携式存储设备。主要分为以下两种规格
标准SD卡 ：尺寸为32mm×24mm×2.1mm，多用于相机等设备。
microSD卡：尺寸为15mm×11mm×1mm，常用于手机、无人机等小型设备。

容量分类

SDSC（标准容量）：最大支持2GB，使用FAT16文件系统。
SDHC（高容量）：容量范围为4GB~32GB，使用FAT32文件系统。
SDXC（扩展容量）：容量范围为64GB~2TB，使用exFAT文件系统。

SD的接口主要有SDIO模式和SPI模式，下图是标准SD卡的两种模式的引脚定义。microSD卡相比下少一个VSS引脚。

因为我们使用的是操作系统，可以不用太关注底层硬件架构。简单说明一下SDIO模式的通讯。

SDIO模式使用SD总线协议，支持4位数据线（DAT0-DAT3）和1位命令线（CMD），理论传输速率更高（UHS-I可达104MB/s）。SPI模式仅使用1位数据线（MOSI/MISO）和1位时钟线（SCK），协议更简单但速率较低（通常低于25MB/s）。

SDIO模式需要两个时钟

卡时钟（SDIO_CK）：每个时钟周期在命令和数据线上传输一位命令和数据。对于SD卡，这个频率可以在0-25MHz之间。

SDIO适配时钟（SDIOCLK）：该时钟用于驱动SDIO适配器，来自OLL48CK，一般是48MHz，并分频后产生卡时钟（SDIO_CK）。

SDIO_CK与SDIOCLK关系为：

其中CLKDIV是分频系数。

二、工程创建

2.1 cubemx

stm32f4系列芯片具有SDIO模式的驱动引脚

总共有五种模式

SD 1 bit

含义：SD 卡工作在 1 位数据总线 模式。
特点：
- 只使用 D0 这一根数据线来传输数据。
- 兼容性最好，所有 SD 卡都支持，但传输速度最慢。
- 适合对速度要求不高、只需要基本读写的场景。

SD 4 bits Wide bus

含义：SD 卡工作在 4 位宽总线 模式。
特点：
- 使用 D0~D3 共 4 根数据线并行传输数据。
- 理论速度是 1 位模式的 4 倍，是 SD 卡最常用的高速模式。
- 需要硬件和 SD 卡都支持 4 位总线模式，大部分现代 SD 卡都支持。

MMC 1 bit

含义：MMC 卡（MultiMediaCard）工作在 1 位数据总线 模式。
特点：
- 仅使用 D0 数据线，是 MMC 卡的基础模式。
- MMC 卡是比 SD 卡更早的存储卡标准，现在使用较少。
- 速度和兼容性都和 SD 1 bit 类似，但仅针对 MMC 卡。

MMC 4 bits Wide bus

含义：MMC 卡工作在 4 位宽总线 模式。
特点：
- 使用 D0~D3 共 4 根数据线，是 MMC 卡的高速模式。
- 速度比 1 位模式快，但仍慢于 SD 4 bits 模式。
- 仅适用于支持 4 位总线的 MMC 卡。

MMC 8 bits Wide bus

含义：MMC 卡工作在 8 位宽总线 模式。
特点：
- 使用 D0~D7 共 8 根数据线，是 MMC 卡的最快模式。
- 这种模式需要专门的 8 位 MMC 卡，且硬件上要引出全部 8 根数据线，在普通开发板上很少见。
- 主要用于对存储带宽要求极高的工业或专业设备。

SDIO除了支持SD卡也支持MMC卡。我们这里用的是SD卡，所以选择SD 4 bits Wide bus最好。

工作设置如下

Clock transition on which the bit capture is made

含义：SDIO 在时钟的哪个边沿采样数据。
当前设置 ：Rising transition（上升沿）
说明：
- SDIO 总线的时钟和数据同步方式，标准协议规定在时钟的上升沿捕获数据，因此这个值一般不需要修改。
- 下降沿捕获仅用于某些特殊兼容场景，通常保持默认即可。

SDIO Clock divider bypass

含义：是否绕过 SDIO 时钟分频器。
当前设置 ：Disable（关闭）
说明：
- 开启后，SDIO 直接使用 SDIOCLK 作为时钟源，不再分频。
- 关闭时，时钟频率 = SDIOCLK / (divide factor + 2)，这是更常见的做法，可灵活调整时钟速度。

SDIO Clock output enable when the bus is idle

含义：总线空闲时是否继续输出时钟。
当前设置 ：Disable the power save for the clock（关闭时钟省电模式）
说明：
- 开启省电模式时，总线空闲时会停止时钟输出，以降低功耗。
- 关闭时，空闲时仍会输出时钟，兼容性更好，适合对稳定性要求高的场景。

SDIO hardware flow control

含义：是否启用硬件流控。
当前设置 ：The hardware control flow is disabled（禁用）
说明：
- 硬件流控通过 DAT3 引脚来控制数据传输的启停，防止数据溢出。
- 大多数普通场景（如 SD 卡读写）不需要启用，只有在高速、高吞吐的专业应用中才会用到。

SDIOCLK clock divide factor

含义：SDIO 时钟的分频系数。
当前设置 ：0
说明：
- 这个值决定了最终的 SDIO 时钟频率，公式为：SDIO 时钟频率 = SDIOCLK / (divide factor + 2)。
- 当值为 0 时，时钟频率 = SDIOCLK / 2。此时SD 卡的时钟频率为24MHz，低于25MHz，满足要求

DMA具有SDIO、SDIO_RX和SDIO_TX可以选择。

SDIO

含义：这是 SDIO 外设的 双向 DMA 通道，既可以用于接收（RX）也可以用于发送（TX）。
特点：
- 当 SDIO 需要在单次传输中同时进行读写时，或硬件上只分配了一个 DMA 通道给 SDIO 时，会使用这个模式。
- 实际传输方向由 SDIO 控制器的操作命令决定，灵活性高，但需要软件在传输前后切换方向。
- 适合对传输方向不固定、或资源受限的场景。

资源足够下我们选择SDIO_RX和SDIO_TX双通道模式。

在时钟配置下，注意要保证红框内时钟频率为48MHz，这个就是提供给SDIO的适配器时钟。

2.2 rt-thread setting

DFS的配置内容就不用多说了，上文中有详细介绍。在这里需要注意的是**Enable RT_DFS_ELM_USE_EXFAT 开关**

这个开关的作用是：让 RT-Thread 的 FatFs 组件支持 exFAT 文件系统，突破传统 FAT32 的容量和性能限制。

经过前面的SD卡容量介绍可知，当SD卡容量大于64GB时，使用的是exFAT文件系统。此时该开关就必须开，低于这个容量可以不开。

其次是最大扇区大小设置如下

标准容量卡 (SDSC，≤2GB)：
- 最大支持块大小：1024 字节（由 CSD 寄存器的 READ_BL_LEN 决定，READ_BL_LEN<12，最大值为 11，2^11=1024）
- 但 CMD16 命令设置的块长度最大为512 字节
高容量卡 (SDHC，2-32GB)、扩展容量卡 (SDXC，32GB-2TB)、超大容量卡 (SDUC，2TB-128TB)：
- 块长度固定为 512 字节，无论 CMD16 如何设置
- 默认扇区大小均为512 字节，这是 SD 卡协议和文件系统（如 FAT16/FAT32、exFAT）普遍采用的标准大小

注意内核对象名称的最大长度默认为8，给改为32，因为SD卡设备初始化时，系统会自动创建的对象名**mmcsdhotplugmb** 长度超过了这个限制，这会直接导致系统初始化失败。

将两个SD卡的线程栈可以适当增大，按原先大小发现会栈溢出，导致错误。

最后一个开关是使用SDHCI模式。

SDHCI 全称是 SD Host Controller Interface，是一种标准化的 SD 卡主机控制器接口规范。它比传统的 SDIO 外设更高效，支持更高的传输速率（如 UHS-I 高速模式），并且硬件集成了 DMA、中断优化等功能，性能更好。

如果芯片内置了SDHCI 控制器，则可以开启，没有的话必须关闭。STM32F4系列没有配置这个模式。

2.3 其他配置

其他配置就和普通外设一样，去board.h中开启BSP_USING_SDIO宏定义，在board.c末尾加入cubemx生成的初始化函数HAL_SD_MspInit和HAL_SD_MspDeInit。

三、代码编写

在qpplications创建下面两个文件

3.1 sdio_sd.c

cpp 复制代码

/*
 * Copyright (c) 2006-2021, RT-Thread Development Team
 *
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 *
 * Change Logs:
 * Date           Author       Notes
 * 2026-01-20     H1567       the first version
 */
#include "sdio_sd.h"

#define DBG_TAG "SDIO"
#define DBG_LVL DBG_LOG
#include <rtdbg.h>

#define     SD_NAME   "sd0"
#define     SD_path      "/"    //挂载在根目录下
void sdio_sd_init(void)
{
    rt_thread_mdelay(500);
    uint8_t dfs_flag;
    dfs_flag = dfs_mount(SD_NAME, SD_path, "elm", 0, 0);
    if(dfs_flag != 0){
        LOG_D("enable dfs mkfs");
        dfs_mkfs("elm", SD_NAME);
        dfs_flag = dfs_mount(SD_NAME, SD_path, "elm", 0, 0);
        if(dfs_flag != 0){
            LOG_D("failed to SD device dfs mount");
        }
    }
}
int fd;
char readBuf[32] = {0};
char writeBuf[32] = "Hello rt-thread!\n";
void file(int argc, char **argv)
{
    if(!rt_strcmp(argv[1], "open")){
        if(argv[2] != 0)
            fd = open(argv[2], O_RDWR|O_CREAT|O_APPEND);
        else {
            rt_kprintf("error\n");
        }
    }
    else if (!rt_strcmp(argv[1], "close")) {
        close(fd);
    }
    else if (!rt_strcmp(argv[1], "read")) {
        read(fd, readBuf, sizeof(readBuf));
    }
    else if (!rt_strcmp(argv[1], "write")) {
        write(fd, writeBuf, sizeof(writeBuf));
    }
    else if (!rt_strcmp(argv[1], "rename")) {
        if(argv[2] != 0)
            rename(argv[2], argv[3]);
        else {
            rt_kprintf("error\n");
        }
    }
    else if (!rt_strcmp(argv[1], "unlink")) {
        if(argv[2] != 0)
            unlink(argv[2]);
        else {
            rt_kprintf("error\n");
        }
    }
}
MSH_CMD_EXPORT(file, dfs file management);
struct dirent *d;
DIR *dirp;
void directory(int argc, char **argv)
{
    if(!rt_strcmp(argv[1], "mkdir")){
        if(argv[2] != 0)
            mkdir(argv[2], 0x777);
        else {
            rt_kprintf("error\n");
        }
    }
    else if (!rt_strcmp(argv[1], "rmdir")) {
        if(argv[2] != 0)
            rmdir(argv[2]);
        else {
            rt_kprintf("error\n");
        }
    }
    else if (!rt_strcmp(argv[1], "opendir")) {
        if(argv[2] != 0)
            dirp = opendir(argv[2]);
        else {
            rt_kprintf("error\n");
        }
    }
    else if (!rt_strcmp(argv[1], "closedir")) {
        closedir(dirp);
    }
    else if (!rt_strcmp(argv[1], "readdir")) {
        d = readdir(dirp);
        rt_kprintf("found %s\n",d->d_name);
    }
}
MSH_CMD_EXPORT(directory, dfs directory management);

注意初始化函数sdio_sd_init开始的500ms延时不可少，我们用户不需要配置SDIO的各种初始化，这些系统自动完成，但只有初始化完成后才能进行设备绑定，所以要预留500ms给系统。

SDka设备的名称得设为"sd0"，换其他名称会找不到。

下面得文件操作和文件夹操作finsh函数和上文一样，不多解释。

3.2 sdio_sd.h

cpp 复制代码

/*
 * Copyright (c) 2006-2021, RT-Thread Development Team
 *
 * SPDX-License-Identifier: Apache-2.0
 *
 * Change Logs:
 * Date           Author       Notes
 * 2026-01-20     H1567       the first version
 */
#ifndef APPLICATIONS_SDIO_SD_H_
#define APPLICATIONS_SDIO_SD_H_

#include <board.h>
#include <dfs_fs.h>
#include <unistd.h>

void sdio_sd_init(void);

#endif /* APPLICATIONS_SDIO_SD_H_ */

特别说明：

DFS具有自动挂载模式，但这个模式有时会挂载失败，所有我这里不用。使用得话在setting打开开关。用下面常量结构体代替初始化函数sdio_sd_init即可。

cpp 复制代码

const struct dfs_mount_tbl mount_table[] =
{
    {"sd0", "/", "elm", 0, 0},
    {0}
};

四、结果演示

操作内容和上差不多，有时会失败，应该是我访问速度设置太高的问题。