STM32 SD 卡读写：FatFS 文件系统移植实战指南

引言

在嵌入式产品中，数据存储需求日益增长，如日志记录、参数保存、音频文件存储等。SD 卡凭借大容量、低成本、可插拔等优势成为主流选择。然而，直接操作 SD 卡扇区繁琐且易出错，引入 FatFS 文件系统可让开发者像操作 PC 文件一样管理数据。本文将带你从零开始，在 STM32 上移植 FatFS，实现高效的 SD 卡读写。

FatFS 与 STM32 存储架构

FatFS 是一个开源的 FAT/exFAT 文件系统模块，专为小型嵌入式系统设计。它独立于底层硬件，通过统一的接口（disk_initialize、disk_read、disk_write 等）与存储介质通信。在 STM32 上，SD 卡可通过两种接口连接：

SDIO 接口：4 位并行传输，速度更快，适合高性能应用。
SPI 接口：引脚占用少，速度较慢，但兼容性广。

本文以 SDIO 模式为例（STM32F407 自带 SDIO 外设），但移植思路同样适用于 SPI 模式。

移植步骤

1. 获取 FatFS 源码

从 FatFS 官网下载最新版本（如 R0.15）。解压后，核心文件包括：

ff.h / ff.c：文件系统实现
diskio.h / diskio.c：底层接口（需修改）
ffconf.h：配置文件

将源码添加到工程，并确保头文件路径正确。

2. 配置 ffconf.h

根据需求修改关键宏：

#define FF_USE_LFN 1          // 支持长文件名
#define FF_FS_MINIMIZE 0      // 完整功能
#define FF_USE_STRFUNC 1      // 支持 f_printf
#define FF_USE_MKFS 1         // 支持格式化
#define FF_USE_FASTSEEK 1     // 快速定位
#define FF_VOLUMES 1          // 卷数量

若使用 SDIO，还需定义 FF_USE_LFN 的缓冲区大小，建议设为 255。

3. 实现底层磁盘 I/O 接口

在 diskio.c 中，需要实现 5 个函数：disk_initialize、disk_status、disk_read、disk_write、disk_ioctl。以下为基于 STM32 HAL 库的示例（简化版）：

#include "ff.h"
#include "diskio.h"
#include "sdio.h"

// 全局 SD 卡句柄（由 HAL 库管理）
extern SD_HandleTypeDef hsd;

// 初始化磁盘
DSTATUS disk_initialize(BYTE pdrv) {
    if (pdrv != 0) return STA_NOINIT;
    if (HAL_SD_Init(&hsd) != HAL_OK) return STA_NOINIT;
    // 配置 SDIO 时钟等（略）
    return 0;
}

// 读取扇区
DRESULT disk_read(BYTE pdrv, BYTE *buff, LBA_t sector, UINT count) {
    if (pdrv != 0) return RES_PARERR;
    if (HAL_SD_ReadBlocks(&hsd, buff, sector, count, HAL_MAX_DELAY) != HAL_OK)
        return RES_ERROR;
    // 等待操作完成
    while (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER);
    return RES_OK;
}

// 写入扇区
DRESULT disk_write(BYTE pdrv, const BYTE *buff, LBA_t sector, UINT count) {
    if (pdrv != 0) return RES_PARERR;
    if (HAL_SD_WriteBlocks(&hsd, (BYTE*)buff, sector, count, HAL_MAX_DELAY) != HAL_OK)
        return RES_ERROR;
    while (HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER);
    return RES_OK;
}

// 获取磁盘状态
DSTATUS disk_status(BYTE pdrv) {
    if (pdrv != 0) return STA_NOINIT;
    return 0; // 简单返回就绪
}

// 控制命令（如获取扇区大小）
DRESULT disk_ioctl(BYTE pdrv, BYTE cmd, void *buff) {
    if (pdrv != 0) return RES_PARERR;
    switch (cmd) {
        case GET_SECTOR_SIZE:
            *(WORD*)buff = 512;
            return RES_OK;
        case GET_BLOCK_SIZE:
            *(DWORD*)buff = 1;
            return RES_OK;
        case GET_SECTOR_COUNT:
            *(DWORD*)buff = hsd.SdCard.BlockNbr;
            return RES_OK;
        default:
            return RES_PARERR;
    }
}

注意：LBA_t 类型在 FatFS R0.15 中定义为 64 位，需确保 HAL 库函数参数匹配。

4. 挂载文件系统

在应用代码中，使用 f_mount 挂载 SD 卡。若卡未格式化，可调用 f_mkfs 创建 FAT 文件系统。

FATFS fs;
FRESULT res;

// 挂载
res = f_mount(&fs, "", 1);
if (res == FR_NO_FILESYSTEM) {
    // 格式化 SD 卡（需先卸载）
    f_mount(NULL, "", 0);
    res = f_mkfs("", FM_FAT32, 0, work, sizeof(work));
    if (res != FR_OK) error_handler();
    f_mount(&fs, "", 1);
}

5. 文件读写示例

以下代码演示创建文件、写入数据、读取数据并删除文件：

FIL file;
UINT bytes_written, bytes_read;
char write_buf[] = "Hello STM32 FatFS!\r\n";
char read_buf[64];

// 写入文件
if (f_open(&file, "test.txt", FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE) == FR_OK) {
    f_write(&file, write_buf, sizeof(write_buf)-1, &bytes_written);
    f_close(&file);
}

// 读取文件
if (f_open(&file, "test.txt", FA_READ) == FR_OK) {
    f_read(&file, read_buf, sizeof(read_buf)-1, &bytes_read);
    read_buf[bytes_read] = '\0';
    f_close(&file);
    printf("Read: %s", read_buf);
}

// 删除文件
f_unlink("test.txt");

注意事项

DMA 与中断：使用 SDIO 时，建议启用 DMA 传输，并在中断回调中处理完成标志，避免阻塞 CPU。
电源稳定：SD 卡对供电敏感，需在 VCC 引脚并联 10μF 和 0.1μF 电容，并确保 3.3V 稳压输出。
长文件名支持：启用 FF_USE_LFN 后，需提供工作缓冲区（如 FF_LFN_BUF），否则会占用较多栈空间。
多卷管理：若同时使用多个存储设备（如 SPI Flash），需在 diskio.c 中根据 pdrv 区分设备。
错误处理：每次文件操作后检查返回值，避免因卡未插入或损坏导致死循环。

总结

通过以上步骤，你已成功在 STM32 上移植 FatFS，实现了 SD 卡的文件读写。实际项目中，可根据需求扩展功能，如目录遍历、文件追加、日志轮转等。FatFS 的移植核心在于底层接口的适配，一旦完成，上层应用开发将变得高效便捷。希望本文能为你后续的存储应用开发提供有力支持。