单片机读写 SD 卡：SPI 模式与 FATFS 文件系统实战指南

为什么选择 SPI 模式与 FATFS？

SD 卡支持 SDIO 和 SPI 两种通信模式。对于大多数 MCU（如 STM32、ESP32、AVR），SPI 模式具有以下优势：

引脚占用少（仅需 4 根线），硬件资源要求低。
协议相对简单，易于用 GPIO 模拟或硬件 SPI 实现。
兼容性广，几乎所有 SD 卡都支持 SPI 模式。

而 FATFS 是一个轻量级、开源的文件系统模块，支持 FAT12/16/32 和 exFAT，非常适合嵌入式环境。它提供了文件创建、读写、删除等标准 API，让开发者无需关心底层扇区操作。

硬件连接与 SPI 配置

典型电路连接

| SD 卡引脚 | SPI 功能 | MCU 引脚 | |-----------|----------|----------| | CS | 片选 | GPIO | | DI | MOSI | SPI_MOSI | | DO | MISO | SPI_MISO | | SCLK | 时钟 | SPI_SCK | | VCC | 电源 | 3.3V | | GND | 地 | GND |

注意：SD 卡必须使用 3.3V 供电，若 MCU 为 5V，需加电平转换电路。

SPI 参数设置

时钟频率：初始化时使用 400kHz 以下（SD 卡要求），初始化完成后可提升至 10-25MHz。
模式：SPI Mode 0（CPOL=0, CPHA=0）或 Mode 3（CPOL=1, CPHA=1），多数卡支持 Mode 0。
数据位：8 位，MSB 先行。

SD 卡初始化流程

SD 卡在 SPI 模式下初始化需要遵循特定时序，否则无法进入 SPI 模式。

初始化步骤

上电延时：至少 1ms，然后发送至少 74 个时钟脉冲（CS 拉高）。
进入 SPI 模式：CS 拉低，发送 CMD0（GO_IDLE_STATE），等待响应 0x01。
发送 CMD8（SEND_IF_COND）：检测卡类型（SD v2.0 及以上），并检查电压范围。
发送 CMD58（READ_OCR）：读取 OCR 寄存器，确认支持 3.3V。
发送 CMD55 + CMD41（ACMD41）：初始化卡，循环发送直到响应为 0x00。
发送 CMD58 再次读取，检查 CCS 位（卡容量类型）。
发送 CMD16（SET_BLOCKLEN）：设置块长度为 512 字节（仅对 SDSC 卡有效）。

代码示例（基于 STM32 HAL 库）

// SD 卡 SPI 初始化函数
uint8_t SD_Init(void) {
    uint8_t response;
    uint8_t cmd[6];
    uint32_t timeout;

    // 1. 上电延时和时钟脉冲
    HAL_GPIO_WritePin(CS_GPIO_Port, CS_Pin, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(1);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        SPI_WriteByte(0xFF); // 发送 80 个时钟
    }

    // 2. 进入 SPI 模式：发送 CMD0
    SD_SendCmd(0x40, 0x00000000, 0x95); // CMD0 带 CRC
    response = SD_ReadByte();
    if (response != 0x01) return 1; // 期望进入空闲态

    // 3. 发送 CMD8 检查 SD v2.0
    SD_SendCmd(0x48, 0x000001AA, 0x87); // CMD8 参数 0x1AA
    response = SD_ReadByte();
    if (response == 0x01) {
        // 读取 4 字节返回数据
        for (int i = 0; i < 4; i++) SD_ReadByte();
    } else {
        return 2; // 可能是 SD v1.0 或 MMC
    }

    // 4. 循环发送 ACMD41
    timeout = 10000;
    do {
        SD_SendCmd(0x77, 0x00000000, 0x01); // CMD55
        SD_ReadByte(); // 忽略响应
        SD_SendCmd(0x69, 0x40000000, 0x01); // ACMD41 带 HCS 位
        response = SD_ReadByte();
        timeout--;
    } while (response != 0x00 && timeout > 0);

    if (timeout == 0) return 3; // 初始化超时

    // 5. 读取 OCR 确认 CCS
    SD_SendCmd(0x7A, 0x00000000, 0x01); // CMD58
    response = SD_ReadByte();
    uint8_t ocr[4];
    for (int i = 0; i < 4; i++) ocr[i] = SD_ReadByte();
    if (ocr[0] & 0x40) {
        // CCS=1，SDHC/SDXC 卡，块长度固定 512
    } else {
        // CCS=0，SDSC 卡，需要设置块长度
        SD_SendCmd(0x50, 512, 0x01); // CMD16
        SD_ReadByte();
    }

    return 0; // 成功
}

// 发送命令函数
void SD_SendCmd(uint8_t cmd, uint32_t arg, uint8_t crc) {
    SPI_WriteByte(cmd);
    SPI_WriteByte((arg >> 24) & 0xFF);
    SPI_WriteByte((arg >> 16) & 0xFF);
    SPI_WriteByte((arg >> 8) & 0xFF);
    SPI_WriteByte(arg & 0xFF);
    SPI_WriteByte(crc);
}

FATFS 文件系统的移植

获取源码

从 FatFs 官网下载最新源码，包含 ff.c, ff.h, diskio.c, diskio.h 等文件。

底层接口实现

FATFS 需要开发者提供 6 个底层函数：disk_initialize, disk_status, disk_read, disk_write, disk_ioctl, get_fattime。

// diskio.c 中的实现示例

// 初始化磁盘
DSTATUS disk_initialize(BYTE pdrv) {
    if (pdrv != 0) return STA_NOINIT;
    if (SD_Init() == 0) {
        return 0; // 成功
    } else {
        return STA_NOINIT;
    }
}

// 读扇区
DRESULT disk_read(BYTE pdrv, BYTE *buff, LBA_t sector, UINT count) {
    if (pdrv != 0) return RES_PARERR;
    for (UINT i = 0; i < count; i++) {
        if (SD_ReadSector(sector + i, buff + i * 512) != 0) {
            return RES_ERROR;
        }
    }
    return RES_OK;
}

// 写扇区
DRESULT disk_write(BYTE pdrv, const BYTE *buff, LBA_t sector, UINT count) {
    if (pdrv != 0) return RES_PARERR;
    for (UINT i = 0; i < count; i++) {
        if (SD_WriteSector(sector + i, (BYTE *)buff + i * 512) != 0) {
            return RES_ERROR;
        }
    }
    return RES_OK;
}

// 其他函数：disk_ioctl 需支持 GET_SECTOR_COUNT, GET_SECTOR_SIZE, GET_BLOCK_SIZE
DRESULT disk_ioctl(BYTE pdrv, BYTE cmd, void *buff) {
    if (pdrv != 0) return RES_PARERR;
    switch (cmd) {
        case GET_SECTOR_COUNT:
            *(LBA_t *)buff = SD_GetSectorCount();
            return RES_OK;
        case GET_SECTOR_SIZE:
            *(WORD *)buff = 512;
            return RES_OK;
        case GET_BLOCK_SIZE:
            *(DWORD *)buff = 1;
            return RES_OK;
        default:
            return RES_PARERR;
    }
}

配置 ffconf.h

FF_USE_MKFS：设为 1 以支持格式化（可选）。
FF_USE_LFN：设为 1 支持长文件名（需额外缓冲区）。
FF_VOLUMES：设为 1，只用一个磁盘。
FF_MIN_SS 和 FF_MAX_SS：设为 512。

文件读写示例

// 挂载文件系统
FATFS fs;
FRESULT res = f_mount(&fs, "", 1);
if (res != FR_OK) {
    // 挂载失败，可能需要格式化
    f_mkfs("", 0, 0); // 格式化
    res = f_mount(&fs, "", 1);
}

// 创建并写入文件
FIL file;
res = f_open(&file, "data.txt", FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);
if (res == FR_OK) {
    char buf[] = "Hello SD Card!\r\n";
    UINT bytes_written;
    f_write(&file, buf, sizeof(buf) - 1, &bytes_written);
    f_close(&file);
}

// 读取文件
res = f_open(&file, "data.txt", FA_READ);
if (res == FR_OK) {
    char buf[64];
    UINT bytes_read;
    f_read(&file, buf, sizeof(buf), &bytes_read);
    buf[bytes_read] = '\0';
    f_close(&file);
}

注意事项与调试技巧

电源稳定性：SD 卡在写入时电流较大，需在 VCC 和 GND 之间加 10µF 和 100nF 去耦电容。
电平匹配：确保所有信号线电平在 3.3V，避免损坏 SD 卡。
初始化时序：CMD0 的 CRC 必须正确（0x95），否则卡不会响应。
响应超时：ACMD41 循环可能持续数百毫秒，设置合理超时（如 1 秒）。
SPI 频率：初始化后提升频率时，确保 PCB 走线质量，否则可能通信失败。
调试工具：使用逻辑分析仪抓取 SPI 波形，对比 SD 卡规范中的时序图。
FATFS 挂载失败：检查底层读写函数是否正确，特别是扇区编号和缓冲区对齐。

总结

通过 SPI 模式驱动 SD 卡并移植 FATFS，可以轻松实现嵌入式系统的数据存储功能。本文提供了从硬件连接到软件实现的完整流程，开发者可根据实际 MCU 调整代码。掌握这一技术后，可扩展至多文件管理、日志系统、固件升级等高级应用。