使用vscode + gcc进行 STM32 单片机开发（三）DMA读写SD卡，移植FATFS文件系统
背景
在本系列的前两篇文章（
使用vscode + gcc进行 STM32 单片机开发（一）编译及调试
使用vscode + gcc进行 STM32 单片机开发（二）gcc环境 移植rtthread）
的基础上，我想再多写一点，一方面是想试试vscode环境开发STM32到底怎么样；另一方面是在和同事的私下讨论的时候，讨论到STM32的SD卡不怎么好用。
综上所示，本文主要描述的是在vscode + gcc的环境下，配合rt-thread RTOS系统，实现STM32的SD卡读写及文件系统的移植，并给出最终的SD卡读写速率测试结果。
相关知识
在阅读本文之前，为了确保有一个良好的阅读体验，需要提前了解一些知识。
- 本系列的前两篇文章，具体链接请见本文开头
- SD卡的基础知识，包括但不限于：
· SD卡、MicroSD卡 、MMC卡、TF卡
· 主机SD卡的接口定义
· 主机和SD卡的通讯传输流程及协议（了解即可） - DMA（Direct Memory Access）传输的概念
- 文件系统 的基本概念，常见的文件系统：FAT、NTFS、Ext等
开始
废话少说，言归正传。 下面开始我们的移植工作。
准备工作
先准备一下：
- 硬件环境：
- 一块STM32开发板，带SD卡接口。
- 一张SD卡
- 软件环境：
- 本系列的前两篇文章所搭建的vscode + gcc + rtthread开发环境
第一步：在STM32CubeMX中开启SD卡接口
直接点点点就行了，如下图所示：
选择 Connectivity - SDMMC1, 选择 SD 4 bits Wide bus，下面开启NVIC中断。
这里有个比较关键的参数
SDMMC clock divide factor，指的是SD卡硬件接口的时钟分频参数，此参数决定最终的时钟频率。
根据SD卡接口的官方文档，可以查阅到其频率一般为1MHz~50MHz。 所以这里我们后面再根据实际情况动态的调整。
设置完成，生成代码 OK
这一步完成后，我们既可以简单的实现往SD卡里面读写二进制的数据了。 但是绝大多数情况下，我们往SD卡读写的都是以文件的形式，文件是有格式的二进制数据。 所以接下来我们开始第二步。
第二步：移植文件系统
文件系统的概念这里不再累述，请自行查阅。 这里我们选择移植FATFS文件系统，官方网站为：http://elm-chan.org/fsw/ff/00index_e.html。
这是好奇的同学就要问了，为什么你直接就选了FATFS呢？ 为什么不选其他类似于 NTFS、Ext这些文件系统呢?
我的回答是： 因为我查了一圈资料，就只查到了FATFS的移植文档，其他文件系统我连源码都没找到 /汗
首先我们去上述的官网上下载FATFS的源码，一共就6、7个C文件和H文件。 下载后随意在项目里面找个顺眼的位置放着，等下把这个位置加到makefile里面进行编译。
这里我放到了 Core/Src目录下，如下图所示：
接下来把源文件和头文件加到Makefile里面去，这里需要你稍微去学习一下makefile，有很多种方法都可以添加，我这里随便选择一种，代码如下所示：
OBJECTS += Core/Src/ff14b/source/diskio.o Core/Src/ff14b/source/ff.o Core/Src/ff14b/source/ffsystem.o Core/Src/ff14b/source/ffunicode.o \
Core/Src/sd_card_speed.o
C_INCLUDES += -ICore/Src/ff14b/source \
ok，接下来进行编译。
不出意外的话，你会编译失败，报错部分函数未定义。 这是当然的咯，上述我们只是下载了FATFS源码而已，还没有和STM32的SD卡读写函数进行对接（移植）。
因此接下来我们进行移植。
根据报错提示，我们打开 diskio.c这个文件，参考官方的移植指南http://elm-chan.org/fsw/ff/doc/appnote.html#port。 做填空题，把里面的函数填上STM32的SD卡相关读写函数。
根据实际情况不同，这里的函数实现都不同，下面我给一个我的写法：
disk_status函数：如下图所示，根据GPIO9的状态（我的开发板上是这个引脚）判断SD卡是否插入
STATUS disk_status (
BYTE pdrv /* Physical drive nmuber to identify the drive */
)
{
DSTATUS stat;
int result;
GPIO_PinState card_det_pin;
switch (pdrv) {
case DEV_RAM :
card_det_pin = HAL_GPIO_ReadPin(GPIOG, GPIO_PIN_9);
result = (card_det_pin == GPIO_PIN_RESET);
// translate the reslut code here
stat = (result ? 0 : STA_NODISK);
return stat;
case DEV_MMC :
//result = MMC_disk_status();
// translate the reslut code here
return STA_NODISK;
case DEV_USB :
//result = USB_disk_status();
// translate the reslut code here
return STA_NODISK;
}
return STA_NOINIT;
}
disk_initialize函数：无需改动
disk_read函数：如下图所示，先声明一段DMA的buffer，buffer制定一个“段名”.dma，这样的话后续在编译时，可以根据.dma这个段名，把buffer强制固定到特定的内存段上。 这是因为STM32H7系列，有多个RAM内存地址，分别为:
DTCMRAM (xrw) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 128K
RAM_D1 (xrw) : ORIGIN = 0x24000000, LENGTH = 512K
RAM_D2 (xrw) : ORIGIN = 0x30000000, LENGTH = 288K
RAM_D3 (xrw) : ORIGIN = 0x38000000, LENGTH = 64K
ITCMRAM (xrw) : ORIGIN = 0x00000000, LENGTH = 64K
而SD卡要求的DMA必须在DTCMRAM上，否则无法工作。具体请查询STM32H7的官方手册，有详细说明。
然后再声明一个DMA读取完毕的回调函数，其中把RxCplt置1。
disk_read函数中发起一次DMA读取，然后就一直等待变量RxCplt置1。
volatile uint8_t RxCplt=0;;
static uint8_t __attribute__((section(".dma"))) dma_rx_buffer[10240]; //10kb
void HAL_SD_RxCpltCallback(SD_HandleTypeDef *hsd)
{
SCB_InvalidateDCache_by_Addr((uint32_t*)dma_rx_buffer, sizeof(dma_rx_buffer)/4);
RxCplt=1;
}
DRESULT disk_read (
BYTE pdrv, /* Physical drive nmuber to identify the drive */
BYTE *buff, /* Data buffer to store read data */
LBA_t sector, /* Start sector in LBA */
UINT count /* Number of sectors to read */
)
{
DRESULT res;
HAL_StatusTypeDef result;
switch (pdrv) {
case DEV_RAM :
// translate the arguments here
while(HAL_SD_GetCardState(&hsd1)!=HAL_SD_CARD_TRANSFER);
// result = HAL_SD_ReadBlocks(&hsd1, (uint8_t*)buff, (uint32_t)sector, (uint32_t)count, 500);
result = HAL_SD_ReadBlocks_DMA(&hsd1, (uint8_t*)dma_rx_buffer, (uint32_t)sector, (uint32_t)count);
if(result!=HAL_OK){
return result;
}
while(RxCplt==0);
RxCplt=0;
SCB_CleanDCache_by_Addr(dma_rx_buffer, sizeof(dma_rx_buffer)/4);
memcpy(buff, dma_rx_buffer, count*BLOCKSIZE);
// translate the reslut code here
switch (result)
{
case HAL_OK:
return RES_OK;
case HAL_ERROR:
return RES_ERROR;
case HAL_BUSY:
return RES_ERROR;
case HAL_TIMEOUT:
return RES_ERROR;
default:
return RES_ERROR;
}
case DEV_MMC :
// translate the arguments here
//result = MMC_disk_read(buff, sector, count);
// translate the reslut code here
return RES_NOTRDY;
case DEV_USB :
// translate the arguments here
//result = USB_disk_read(buff, sector, count);
// translate the reslut code here
return RES_NOTRDY;
}
return RES_PARERR;
}
disk_write函数和disk_read函数类似，如下图所示，不再累述：
volatile uint8_t TxCplt=0;;
static uint8_t __attribute__((section(".dma"))) dma_tx_buffer[10240]; //10kb
void HAL_SD_TxCpltCallback(SD_HandleTypeDef *hsd)
{
TxCplt=1;
}
DRESULT disk_write (
BYTE pdrv, /* Physical drive nmuber to identify the drive */
const BYTE *buff, /* Data to be written */
LBA_t sector, /* Start sector in LBA */
UINT count /* Number of sectors to write */
)
{
DRESULT res;
HAL_StatusTypeDef result;
int retry = 5;
switch (pdrv) {
case DEV_RAM :
// translate the arguments here
while(HAL_SD_GetCardState(&hsd1)!=HAL_SD_CARD_TRANSFER);
memcpy(dma_tx_buffer, buff, count*BLOCKSIZE);
SCB_CleanDCache_by_Addr(dma_tx_buffer, sizeof(dma_tx_buffer)/4);
result = HAL_SD_WriteBlocks_DMA(&hsd1, (uint8_t*)dma_tx_buffer, (uint32_t)sector, (uint32_t)count);
while(TxCplt==0);
TxCplt=0;
// for(;retry>0;retry--){
// while(HAL_SD_GetCardState(&hsd1)!=HAL_SD_CARD_TRANSFER);
// result = HAL_SD_WriteBlocks(&hsd1, (uint8_t*)buff, (uint32_t)sector, (uint32_t)count, 5000);
// if(result == HAL_OK) break;
// }
// translate the reslut code here
switch (result)
{
case HAL_OK:
return RES_OK;
case HAL_ERROR:
return RES_ERROR;
case HAL_BUSY:
return RES_ERROR;
case HAL_TIMEOUT:
return RES_ERROR;
default:
return RES_ERROR;
}
// translate the reslut code here
return res;
case DEV_MMC :
// translate the arguments here
// result = MMC_disk_write(buff, sector, count);
// translate the reslut code here
return RES_NOTRDY;
case DEV_USB :
// translate the arguments here
// result = USB_disk_write(buff, sector, count);
// translate the reslut code here
return RES_NOTRDY;
}
return RES_PARERR;
}
disk_ioctl函数：whille循环等待SD读写完毕，如下图所示：
DRESULT disk_ioctl (
BYTE pdrv, /* Physical drive nmuber (0..) */
BYTE cmd, /* Control code */
void *buff /* Buffer to send/receive control data */
)
{
DRESULT res;
int result;
switch (pdrv) {
case DEV_RAM :
// Process of the command for the RAM drive
switch (cmd)
{
case CTRL_SYNC:
/* code */
while(HAL_SD_GetCardState(&hsd1)!=HAL_SD_CARD_TRANSFER);
return RES_OK;
break;
case GET_SECTOR_COUNT:
*(DWORD*)buff = hsd1.SdCard.BlockNbr;
return RES_OK;
break;
case GET_BLOCK_SIZE:
*(DWORD*)buff = hsd1.SdCard.BlockSize;
return RES_OK;
break;
default:
break;
}
return RES_ERROR;
case DEV_MMC :
// Process of the command for the MMC/SD card
return RES_NOTRDY;
case DEV_USB :
// Process of the command the USB drive
return RES_NOTRDY;
}
return RES_PARERR;
}
上述函数写完后，再进行编译，应该就没问题了。
第三步：测试SD卡读写速度
这一步其实就相对比较简单了，我们写入一个100MB的文件，来测试一下写入的速度，测试代码如下：
#include 在main函数里面调用这个函数，并打印一下执行前后的时间t1和t2，即可算出SD卡的读写速度。
TODO：补图，SD卡的测试结果
结语
最后，代码写的不怎么样，我就没有上传了。 如果有任何疑问，欢迎在下面留言，我看到了就会回复。