SD卡及FATFS文件系统

一，SD卡简介

SD卡以其容量大、成本适中、接口相对简单等优点，成为了扩展存储的常用选择
直接操作SD卡的物理扇区非常复杂且低效。为了方便管理SD卡上的数据，我们需要文件系统
本节我们将通过SDIO接口（或SPI模式，但本教程重点关注SDIO）使用FATFS文件系统来读写SD卡
这里的SDIO模式怎么和SPI模式平起平坐了？
SDIO模式只是局限于SD卡，SDIO 和 SPI 都是“物理总线协议”（physical bus protocols），也就是通信接口，在使用SD卡时我们可以选择这两种模式去驱动SD卡，就像前面使用iic，spi去驱动从机一样

二，SD卡基础

2.1 SD卡类型与规格

物理尺寸: 主要有标准SD卡、miniSD卡和microSD卡。嵌入式应用中microSD卡因其小巧而最为常见。
容量标准:
SDSC (Standard Capacity): 容量最高至2GB。
SDHC (High Capacity): 容量从2GB到32GB。
SDXC (Extended Capacity): 容量从32GB到2TB。
SDUC (Ultra Capacity): 容量从2TB到128TB (较新标准)。

MCU对不同容量标准的支持可能有限，务必查阅MCU和FATFS库的兼容性说明。

速度等级 (Speed Class): 表示最低写入速度，如Class 2 (2MB/s), Class 4 (4MB/s), Class 6 (6MB/s), Class 10 (10MB/s)。还有UHS (Ultra High Speed) 等级如U1 (10MB/s), U3 (30MB/s)，以及视频速度等级V6, V10, V30等。选择合适的SD卡需考虑应用对读写性能的要求。

这里的容量标准是怎么来的？有什么作用？我是小白，对于速度等级完全不理解

容量标准（SDSC/SDHC/SDXC/SDUC）其实是由 SD 协会（SD Association）在不同时间制定的一系列规范

标准	容量范围	支持的文件系统	主流用途
SDSC	up to 2 GB 字节寻址	FAT16	早期数码相机、旧设备
SDHC	> 2 GB – 32 GB 扇区寻址	FAT32	现在最常见，用于手机、树莓派、通用存储
SDXC	> 32 GB – 2 TB 扇区寻址	exFAT	高清视频录制、大文件存储（4 K/8 K）
SDUC	> 2 TB – 128 TB 扩展寻址	exFAT	专业视频、数据中心、嵌入式大容量存储（新兴）

不同的容量标准与它自己的寻址方式绑定，什么是寻址方式呢？
当主机（MCU、相机、电脑）要读写 SD 卡时，会通过 SD 命令（CMD17、CMD24 等）告诉卡“从地址 X 开始读 N 个字节”或“把 N 个字节写到地址 X”。这个“地址 X”到底表示字节偏移（byte offset）还是块/扇区编号（block number），就是“寻址方式”的区别：
1，当X表示字节时，SD卡就是字节寻址（与前面的iic中的列高地址和列低地址一样，X表示命令的同时也表示地址位置/偏移），在SD卡的命令中，命令为32位，所以可以访问取值范围 0…2³²–1（≈4 GiB）内的任意字节，但是SDSC最大只有2 GiB，所以可以访问SDSC的所有内容

2，当X表示扇区号时，SD卡就是扇区寻址，X加1就是访问一个扇区512B，X同样是32位，这样 32 位扇区号可覆盖 2³² × 512 B ≈ 2 TiB 的容量，正好对应 SDXC 卡上限

3，扩展寻址，SDUC（>2 TiB–128 TiB）卡

所以我们可以发现不同的寻址方式解决的是容量问题

除此之外，我们还可以发现不同的容量标准与不同的文件系统绑定，为什么呢？
我们先把文件系统比喻成索引系统，小容量的SD卡只需要简单的索引，而大容量的SD卡，就需要更大的索引系统
那么到底什么是文件系统呢？
文件系统就是管理文件的规则
一个成品设备如相机、手机、电脑、车载系统、嵌入式设备……它们的固件（或操作系统）里只内置了对某些文件系统/规则的“翻译器”。
如果你给它插一个它“不认识”的文件系统（比如用 NTFS、ext4、APFS 等），它就“听不懂”卡里的目录结构，看不到任何文件
SD 协会为了存储卡容量与设备兼容，就对各代 SD 卡推荐了上面的文件系统：他们不是把文件系统像固件一样“写死”在卡片里，而是将SD卡在出厂时预先格式化（format） 成了推荐的文件系统，我们用户可以自行重格式化，修改文件系统

就算是SD协会制定了SD标准，成品设备是怎么和SD标准达成一致的呢？
成品设备之所以能读取不同容量的 SD 卡，本质上在于它的软件/固件里包含了多个文件系统的支持（以及对应的 SD 协议驱动），这样才能对应 SDSC、SDHC、SDXC/SDUC 等卡型在出厂时常用的文件系统

我们平时使用成品设备时直接插入SD卡就能读取里面数据，但是对于半成品开发板STM32来说，我们还需要在使用之前先初始化 SDIO 驱动，再装FatFS 驱动

为什么会这样呢？这就是裸机和操作系统的区别了：
操作系统 vs. 裸机（Bare-metal）
相机、手机、电脑都运行着操作系统（OS）
手机常见的有 Android、iOS；电脑是 Windows、macOS、Linux。
一，操作系统里已经集成了
1，SD 卡驱动
2，文件系统模块（FAT/exFAT）
二，自动挂载：插卡后，系统就自动识别、挂载（mount）出一个盘符，你直接读写文件就好。
然而STM32 裸机没有操作系统（除非你另行移植一个 RTOS）
一，出厂出来只有最底层的寄存器、外设，需要我们用 CubeMX 配置 SDIO/SPI、引脚、时钟、DMA实现硬件初始化
二，没有SD 卡驱动，要自己去写并调用 HAL_SD_Init()
三，没有现成的文件系统，需要把 FatFS（或其他文件系统）集成进来
四，手动挂载：调用 f_mount()（FatFS）把底层驱动和文件系统连起来
五，最后 再去用 f_open()、f_read()、f_write() 这类 API 读写文件

相机/手机/电脑 跟 STM32 这类裸机 MCU 在使用 SD 卡时，有两个关键区别
文件系统本身的容量/文件数限制

FAT12/16（SDSC 卡，≤2 GiB）

FAT12 的聚簇数最多 4 096 个，簇大小最小 512 B，所以最大只到 ~2 MiB；

FAT16 的聚簇表项 16 位，最多 65 536 个簇，即使用最大 32 KiB 聚簇，也只能支持到 2 GiB 左右。

FAT32（SDHC 卡，>2 GiB–32 GiB）

FAT32 用 28 位表项，支持最多 ~268 435 456 个簇，配合最小 512 B 聚簇即可覆盖 ~128 TiB，但 Windows 默认只在 32 GiB 以下格式化为 FAT32，主要为了性能和卷标兼容性。

exFAT（SDXC、SDUC 卡，>32 GiB）

exFAT 设计时就面向超大卷（最高可到数百 PB），目录表和簇号都用了更宽的字段，支持更大的文件和更多的文件。

兼容性与规范要求

SD 规范里对不同卡型（SDSC/SDHC/SDXC/SDUC）都有“推荐使用”的文件系统：

SDSC 卡通常用 FAT16；

SDHC 卡上较小容量（≤32 GiB）依然用 FAT32；

SDXC/SDUC 卡（>32 GiB）强制或推荐用 exFAT。

这样做能保证：

主机设备（如相机、智能手机、电脑）在出厂时就能识别、读写，不用额外安装驱动；

跨平台（Windows、macOS、Linux、嵌入式系统）有一致的最低支持。

性能和资源消耗

较小的卡如果用 exFAT，会带来更多的文件系统元数据开销；

大卡若用 FAT32，目录/聚簇表过大，查找和维护速度会急剧下降，且容易产生大量碎片。

专利与授权

exFAT 是微软的专利文件系统，SDXC/SDUC 标准中包含了 exFAT 的授权条款；

对于低容量的 SDSC/SDHC 卡，使用开源的 FAT16/FAT32，无需支付专利费用，更经济。

测试历程

1，测试开始

my_printf(&huart1, "\r\n--- SD卡FATFS文件系统测试开始 ---\r\n");

2，挂载文件系统

挂载是建立硬件（SD卡）与软件（文件系统API）之间的联系
挂载前，系统无法读写SD卡中的任何文件
挂载后，系统可以通过FATFS提供的函数（如f_open、f_read等）访问SD卡中的内容
代码中使用f_mount函数完成挂载操作

if (f_mount(&SDFatFS, SDPath, 1) != FR_OK){
my_printf(&huart1, "SD卡挂载失败，请检查SD卡连接或是否初始化\r\n");return;}
my_printf(&huart1, "SD卡挂载成功\r\n");

函数解析：

FRESULT f_mount(FATFS* fs, const TCHAR* path, BYTE opt)

参数fs：指向要注册/注销的文件系统对象的指针
参数path：驱动器号，最常见的格式是 “0:”、“1:”，后面可以跟一个斜杠 /，比如 “0:/”

如果传入空字符串 “”，则表示使用默认驱动器，一般就是 0:

参数opt: 挂载选项。0 表示延迟挂载 (仅注册工作区，实际的卷初始化在首次访问时进行)；1 表示立即挂载 (执行卷初始化并检查卷状态)。

这里的驱动器是什么东西？
是对底层每个存储介质（比如 SD 卡、内部 Flash、USB 盘……）的一个逻辑编号或“盘符”，它不是物理设备，他是物理设备通过diskio.c 里的读写函数注册给 FatFS时分给物理设备的编号

以上两个参数在fatfs.c 和 fatfs.h中有定义

下载调试后串口提示挂载失败：
— SD卡FATFS文件系统测试开始 —
SD卡挂载失败，请检查SD卡连接或是否初始化

检查res值：

if (f_mount(&SDFatFS, SDPath, 1) != FR_OK){my_printf(&huart1,"FR_OK = %d\n", (int)FR_OK);my_printf(&huart1,"f_mount returned: %d\n", (int)res);my_printf(&huart1, "SD卡挂载失败，请检查SD卡连接或是否初始化\r\n");return;}

调试结果：
— SD卡FATFS文件系统测试开始 —
FR_OK = 0
f_mount returned: 134432800
SD卡挂载失败，请检查SD卡连接或是否初始化

开启keil调试：

3，创建测试目录

使用函数 f_mkdir 创建一个新目录

    res = f_mkdir("测试目录");if (res == FR_OK){my_printf(&huart1, "创建测试目录成功\r\n");}else if (res == FR_EXIST){my_printf(&huart1, "测试目录已存在\r\n");}else{my_printf(&huart1, "创建目录失败，错误码: %d\r\n", res);}

我们可以ff.c文件中看到FRESULT f_mkdir (
const TCHAR* path /* Pointer to the directory path */
)

这个函数的形参是const TCHAR* path，TCHAR等同于char，代表字符串常量：
单级目录名，比如 “TESTDIR” 或者 “测试目录”。
相对路径，比如 “测试目录/sub1”。
绝对路径，如果你在多驱动器环境下，可以写
“0:/DATA”、“1:/LOGS/2025”，其中前缀的 0:、1: 表示不同的挂载号

4，创建并写入测试文件

这一步涉及两个函数：
FRESULT f_open(FIL* fp, const TCHAR* path, BYTE mode)
这个函数第一个形参是FIL SDFile; 是指向文件对象的指针
形参const TCHAR *path 代表文件名或路径字符串
如果我们传入TestFileName
它会在当前挂载盘的根目录下创建／打开名为 SD_TEST.TXT 的文件。
如果你想放在子目录里，可以传 “测试目录/SD_TEST.TXT”，或者加上驱动号 “0:/SD_TEST.TXT”，前提是你已正确挂载。
形参BYTE mode 用于指定「打开方式」和「访问权限」,FatFs 里定义了一系列宏，你可以通过「按位或」来组合。常用的几个有：

宏名	值	含义
FA_READ	0x01	以读模式打开文件
FA_WRITE	0x02	以写模式打开文件
FA_OPEN_EXISTING	0x00	仅当文件已存在时打开，否则失败（默认行为）
FA_CREATE_NEW	0x04	创建新文件；如果文件已存在，则失败返回 FR_EXIST
FA_CREATE_ALWAYS	0x08	创建新文件；若已存在则先删除旧文件，再新建一个空文件
FA_OPEN_ALWAYS	0x10	如果文件已存在就打开它，否则创建新文件
FA_OPEN_APPEND	0x30	同 FA_OPEN_ALWAYS，但文件指针定位到文件尾以追加写入

第二个函数是f_write

FRESULT f_write (FIL* fp,           /* [in]  指向已打开文件的文件对象指针 */const void* buff,  /* [in]  指向要写入数据缓冲区的指针 */UINT btw,          /* [in]  要写入的字节数 */UINT* bw           /* [out] 实际写入的字节数 */
);

这个函数有四个参数：
FIL* fp：指向刚才f_open打开的文件对象，文件必须已用 FA_WRITE打开
const void* buff：指向存放要写入内容的缓冲区。可以是字符串、二进制数据、结构体数组
UINT btw ：要写入的最大字节数

如果 *bw < btw，说明写入过程中发生了中断或错误。

    my_printf(&huart1, "创建并写入测试文件...\r\n");res = f_open(&SDFile, TestFileName, FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);if (res == FR_OK){// 写入数据res = f_write(&SDFile, WriteBuffer, strlen(WriteBuffer), &bw);if (res == FR_OK && bw == strlen(WriteBuffer)){my_printf(&huart1, "写入文件成功: %u 字节\r\n", bw);}else{my_printf(&huart1, "写入文件失败，错误码: %d\r\n", res);}// 关闭文件f_close(&SDFile);}else{my_printf(&huart1, "创建文件失败，错误码: %d\r\n", res);}

5，读取测试文件

    my_printf(&huart1, "读取测试文件...\r\n");memset(ReadBuffer, 0, sizeof(ReadBuffer));res = f_open(&SDFile, TestFileName, FA_READ);if (res == FR_OK){// 读取数据res = f_read(&SDFile, ReadBuffer, sizeof(ReadBuffer) - 1, &br);if (res == FR_OK){ReadBuffer[br] = '\0'; // 确保字符串结束符my_printf(&huart1, "读取文件成功: %u 字节\r\n", br);my_printf(&huart1, "文件内容: %s\r\n", ReadBuffer);// 验证数据一致性if (strcmp(ReadBuffer, WriteBuffer) == 0){my_printf(&huart1, "数据验证成功: 读写数据一致\r\n");}else{my_printf(&huart1, "数据验证失败: 读写数据不一致\r\n");}}else{my_printf(&huart1, "读取文件失败，错误码: %d\r\n", res);}// 关闭文件f_close(&SDFile);}else{my_printf(&huart1, "打开文件失败，错误码: %d\r\n", res);}