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：
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
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。
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