如何去实现SD卡加载固件的功能呢

STM32F103C8T6通过SD卡加载固件

前面写了通过Uart加载固件，这次就使用SD卡来尝试一下加载固件吧。
要实现SD卡加载固件的功能，需要完成以下三项工作：

• 能够对单片机内部FLASH进行编程。（前面写串口加载固件的时候写了）
  
• 完成SD卡驱动。
  
• 移植FATFS文件系统。
  
  

有了这三项的支持，编写从SD卡加载固件的程序就很简单了。程序思路如下：

• 初始化SD卡，挂载文件系统。
  
• 只读方式打开"download.bin"文件，获取文件描述符。
  
• 以512字节为单位，循环读取"download.bin"文件的内容，并写入APP程序的地址中。
  
• 跳转到APP程序。
  
  

1 对FLASH编程

这个前面的文章详细地写了，这里不展开，直接引用以前的代码即可。
2 编写SD卡驱动

2.0 准备硬件

由于STM32F103C8核心板上没有SD卡槽，需要买一个SD卡槽，需要买一个集成的模块。记住要买TF小卡的，日常使用小卡比较多。

还有就是需要一张TF卡，要支持HC协议的。一般不超过32G的卡都支持HC协议，在卡的表面丝印也会注明HC。

准备好硬件后可以看以下SD卡的协议和读写规范。粗略阅读后，还是建议从网上下载一份代码，移植到自己的工程。当然，时间充足的话，从头开始动手写没什么不好的。
2.1 创建工程

中等容量系列的C8T6是没有SDIO接口的，所以只能用SPI接口去驱动SD卡，缺点就是慢。在CUBEMX里面初始化一个SPI接口，如下图所示：





SPI设置为：全双工主机、软件NSS信号、Motorola帧协议、数据宽度8位、MSB格式、速率18MBit（在程序中会修改）、空闲状态为高电平、时钟相位为第2个时钟边缘、不使能CRC。这些设置可以从SD卡的读写时序得到，也可以简单地从别人的代码中得到。
配置完成后生成工程。
2.2 移植驱动代码

这里选择移植正点原子的SD卡驱动代码。因为这份代码写得很容易移植，工程里面的SD卡驱动和底层的SPI代码是分开的，因此我们只需要用HAL库SPI外设的代码去实现spi.c这个文件的接口就行。

#include "spi.h"


extern SPI_HandleTypeDef hspi1;


/*
* description : 初始化SPI
* param : none
* return : none
*/
void SPI1_Init(void)
{
    SPI1_ReadWriteByte(0xff);   //启动传输       
}




/*
* description : 发送&接收
* param - TxData : 要发送的数据
* return : 接收到的数据
*/
uint8_t SPI1_ReadWriteByte(uint8_t TxData)
{
    uint8_t rxData;
    HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi1, &TxData, &rxData, 1, 10);
    return rxData;
}


/*
* description : 设置传输速度
* param - SpeedSet : SPI_BAUDRATEPRESCALER_2   = 2分频   = 36M（不可选）
*                    SPI_BAUDRATEPRESCALER_4   = 4分频   = 18M
*                    SPI_BAUDRATEPRESCALER_8   = 8分频   = 9M
*                    SPI_BAUDRATEPRESCALER_16  = 16分频  = 4.5M
*                    SPI_BAUDRATEPRESCALER_256 = 256分频 = 281.25K
* return : none
*/
void SPI1_SetSpeed(uint32_t SpeedSet)
{
    hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SpeedSet;
    HAL_SPI_Init(&hspi1);
}
至于MMC_SD.C这里面的代码，基本不需要改动。只需要把代码中使用的u8、u16、u32替换成uin8_t、uint16_t、uint32_t即可。当然自己在头文件中手动定义一下u8、u16、u32也可以。
在main()中简单测试一下驱动：

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
  uint32_t sdSectorCount;
  /* USER CODE END 1 */
  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*
  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();
  /* USER CODE BEGIN Init */
  /* USER CODE END Init */
  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();
  /* USER CODE BEGIN SysInit */
  /* USER CODE END SysInit */
  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_SPI1_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  while(SD_Initialize())//检测不到SD卡
  {
    HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
    HAL_Delay(100);
  }
  sdSectorCount = SD_GetSectorCount();
  /* USER CODE END 2 */
  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
    HAL_Delay(1000);
    /* USER CODE END WHILE */


    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}
插卡后上电，如果LED闪烁的周期为1秒，那就可以表明驱动移植初步是成功的。
可以进调试看一下sdSectorCount的值。（PS:如果在调试中无法查看sdSectorCount局部变量，可以进设置将编译优化等级调为0）
sdSectorCount * 0.5 = 容量（KByte）。这是因为这份驱动把SD卡的扇区容量设置为512字节。
3 移植FATFS文件系统

如果只是用操作FLASH的方式来操作SD卡，组织起来会非常麻烦。因此使用了FATFS文件系统。因为FATFS与电脑的FAT32文件系统兼容，所以在使用了FATFS后，我们可以直接将bin文件拖到SD卡即可。否则，我们就要将bin文件的内容烧写到SD卡指定的地址，非常麻烦。
简而言之，FATFS文件系统可以帮我们管理SD卡。我们可以使用文件操作的API来使用SD卡。（PS：FATFS原则上是需要RTC的，但是为了简单，这里不使用RTC，读取时间的API直接返回0）
FATFS文件系统非常容易移植，只需两步：

• 配置ffconf.h。其实就是进行裁剪，文件里面的配置项不多，而且都配有非常完整的注释，很好配置。
  
• 实现diskio.c中的函数接口。可以参照着注释自己写，也可以参考网上的例程照着写。
  
  

ffconf.h文件配置内容如下：（去除注释）

#ifndef _FFCONF
#define _FFCONF 29000        /* Revision ID */
#define        _FS_TINY                0        /* 0:Normal or 1:Tiny */
#define _FS_READONLY        0        /* 0:Read/Write or 1:Read only */
#define _FS_MINIMIZE        0        /* 0 to 3 */
#define        _USE_STRFUNC        1        /* 0:Disable or 1-2:Enable */
#define        _USE_MKFS                1        /* 0:Disable or 1:Enable */
#define        _USE_FASTSEEK        1        /* 0:Disable or 1:Enable */
#define _USE_LABEL                1        /* 0:Disable or 1:Enable */
#define        _USE_FORWARD        0        /* 0:Disable or 1:Enable */
#define _CODE_PAGE        1                /* 不采用中文编码 */
#define        _USE_LFN        0                /* 0,不采用长文件名 */
#define        _MAX_LFN        255                /* Maximum LFN length to handle (12 to 255) */
#define        _LFN_UNICODE        0        /* 0:ANSI/OEM or 1:Unicode */
#define _STRF_ENCODE        3        /* 0:ANSI/OEM, 1:UTF-16LE, 2:UTF-16BE, 3:UTF-8 */
#define _FS_RPATH                0        /* 0 to 2 */
#define _VOLUMES        1        /* 只有1个盘符，就是SD卡 */
#define _STR_VOLUME_ID        0        /* 0:Use only 0-9 for drive ID, 1:Use strings for drive ID */
#define _VOLUME_STRS        "RAM","NAND","CF","SD1","SD2","USB1","USB2","USB3"
#define        _MULTI_PARTITION        0        /* 0:Single partition, 1:Enable multiple partition */
#define        _MIN_SS                512
#define        _MAX_SS                512
#define        _USE_ERASE        0        /* 0:Disable or 1:Enable */
#define _FS_NOFSINFO        0        /* 0 to 3 */
#define _WORD_ACCESS        0        /* 0 or 1 */
#define        _FS_LOCK        0        /* 0:Disable or >=1:Enable */
#define _FS_REENTRANT        0                /* 0:Disable or 1:Enable */
#define _FS_TIMEOUT                1000        /* Timeout period in unit of time ticks */
#define        _SYNC_t                        HANDLE        /* O/S dependent sync object type. e.g. HANDLE,
#endif
注意_CODE_PAGE、_USE_LFN、需要注意，由于C8T6的Flash比较小，只有64KByte，因此不推荐使用中文编码。因此_CODE_PAGE需要设置为1，同时_USE_LFN需要设置为0。此时我们的文件系统就不支持中文了，无论是文件名还是文件内容，都只能使用英文。对于读取bin二进制文件没有影响。（PS：取消长文件名后，不区分大小写文件名。也就是在单片机上创建一个hello.txt，在电脑中看可能是HELLO.TXT。文件里面的内容还是正常区分大小写的。）
_VOLUMES表示盘符个数，最大应该是可以有10个。我们这里只有一张SD卡，所以写1就行。
接下来修改diskio.c。由于取消了长文件名，那么可以不实现void ff_memalloc (UINT size) 和void ff_memfree (void mf)。
剩下几个函数的实现，参考正点原子的SPI驱动SD卡使用FATFS文件系统的例程即可。（例程里面有涉及到SPI FLASH的代码，可以删掉，当然保留也不会出错。）
修改完毕后，编写简单的main()函数来测试一下：

FATFS fs;
FIL filp;
UINT bw, br;
FRESULT ret;
uint8_t readBuf[512];
FILINFO fno;
DWORD fileSize;
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
  /* USER CODE END 1 */
  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();
  /* USER CODE BEGIN Init */
  /* USER CODE END Init */
  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();
  /* USER CODE BEGIN SysInit */
  /* USER CODE END SysInit */
  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_SPI1_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  while(SD_Initialize())//检测不到SD卡
  {
    HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
    HAL_Delay(100);
  }
  /* 1、挂载文件系统 */
  ret = f_mount(&fs,"0:",1);
  if(ret != FR_OK)
  {
    /* 挂载失败 */
    goto MOUNT_ERR;
  }
  f_open(&filp, "0:/test.txt", FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);  //创建文件
  f_write(&filp, "hello world", 11, &bw);   //写入文件
  f_close(&filp);   //关闭文件
  /* USER CODE END 2 */
  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
    HAL_Delay(1000);
    /* USER CODE END WHILE */
    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}
这里稍微解释一下f_mount()的参数。

• 第一个参数&fs，用来保存文件系统数据的地址。这个简单，传入指定类型变量的指针即可。
  
• 主要是这个“0:”。首先这个字符串会被f_mount()里面的get_ldnumber()函数解析，得到“:”前面的数字“0”，再将字符串数字“0”转换成整型数字0。get_ldnumber()函数也印证了FATFS只支持0~9的10个盘符。得到整数盘符0后，使用find_volume()函数去初始化SD卡或者读写SD卡。这个盘符0就是我们移植diskio.c里面的BYTE pdrv。我们在移植时定义了SD卡的盘符为0。
  
• 最后一个参数1，表示立即挂载。
  
  

程序运行时，会依次初始化SD卡，挂载文件系统，创建“test.txt”，在“test.txt”中写入“hello world”这12个字符（后面的size写了11，也就是忽略了“”），关闭文件。
插入SD卡然后上电。LED闪烁周期为1s。断电，将SD卡插入电脑，查看是否产生了一个名为“TEST.TXT”的文件，并且文件里面的内容为“hello world”。

4 完成SDBootloader程序编写

有了上面的基础，编写SDBootloader就简单了。
首先上电检测KEY是否按下，如果按下了就开始接收程序，如果没有按下就正常运行APP程序。这里说明一下，SDBootloader程序的大小约为14KByte，因此这次把bootloader区域设置为了：0x08000000~0x08003FFF，共16KByte。也就是APP程序的开始地址改为了：0x08004000。
先看main()函数：

int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */
  uint8_t ret = 0;
  /* USER CODE END 1 */
  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/
  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();
  /* USER CODE BEGIN Init */
  /* USER CODE END Init */
  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();
  /* USER CODE BEGIN SysInit */
  /* USER CODE END SysInit */
  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_SPI1_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  /* 判断是否需要下载程序 */
  if(Boot_ReadKey(KEY_GPIO_Port, KEY_Pin) == KEY_PRESS)
  {
    ret = Boot_DownLoadBin();
  }
  else
  {
    Boot_RunApp(APP_ADDRESS);
    ret = 0;
  }
  /* USER CODE END 2 */


  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    if(ret == 1)
    {
      Boot_RunApp(APP_ADDRESS);
      HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
      HAL_Delay(1000);
    }
    else
    {
      HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
      HAL_Delay(300);
    }
    /* USER CODE END WHILE */
    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}
过程比较简单，按键按下了就从SD卡加载固件，加载成功后就跳转到APP_ADDRESS。如果跳转不成功，那LED就会以1s的周期闪烁。如果加载不成功，那LED就以500ms的周期闪烁。
接下来看关键的Boot_DownLoadBin()函数：

/*
* description : 加载bin文件
* param : none
* return : 0 - downloading; 1 - complete;
*/
#define BUF_SIZE        512
uint8_t readBuf[BUF_SIZE];
FATFS fs;                        //文件系统盘符
FIL filp;                        //文件句柄
UINT bw, br;                //读写指针，读写出错时可以指示发生错误的位置
FRESULT ret;                //操作结果
FILINFO fno;                //文件信息
DWORD fileSize;                //文件大小
uint8_t Boot_DownLoadBin(void)
{
        uint32_t i;
        uint8_t checkSum;
   
        /* 1、初始化SD卡 */
        if(SD_Initialize() != 0)        //初始化SD卡失败
        {
                return 0;
        }
   
        /* 2、挂载文件系统 */
        ret = f_mount(&fs,"0:",1);
        if(ret != FR_OK)
        {
                goto MOUNT_ERR;        //挂载失败
        }
   
        /* 3、查看烧写文件是否存在 */
        ret = f_stat("0:/download.bin", &fno);
        if(ret != FR_OK)
        {
                goto FILE_ERR;
        }
        fileSize = fno.fsize;
   
        /* 4、打开文件 */
        ret = f_open(&filp, "0:/download.bin", FA_READ);  //读取模式
        if(ret != FR_OK)
        {
                goto OPEN_ERR;        //打开失败
        }
   
        /* 5、循环读取数据内容，并写入Flash */
        i=0;
        checkSum = 0;
        while(1)
        {
                if(i >= fileSize)
                        break;
                if((i+BUF_SIZE) <= fileSize)
                {
                        ret = f_read(&filp, readBuf, BUF_SIZE, &br);
                        checkSum = Boot_CheckSum(readBuf, 0, BUF_SIZE - 1) ^ checkSum;
                        Flash_RamToFlash(readBuf, APP_ADDRESS + i, BUF_SIZE);
                        i += BUF_SIZE;
                }
                else
                {
                        ret = f_read(&filp, readBuf, fileSize - i, &br);
                        checkSum = Boot_CheckSum(readBuf, 0, fileSize - i - 1) ^ checkSum;
                        Flash_RamToFlash(readBuf, APP_ADDRESS + i, fileSize - i);
                        i += (fileSize - i);
                }
                if(ret != FR_OK)
                {
                        goto READ_ERR;        //读取错误
                }
        }
   
        /* 5.5、检查检验和 */
        if(checkSum == 0x00)
        {
                goto ALL_OK;
        }
        else
        {
                goto CHECKSUN_ERR;
        }
/* 6、错误处理 */
CHECKSUN_ERR:
READ_ERR:
        f_close(&filp);       //关闭文件
OPEN_ERR:
FILE_ERR:
        f_mount(&fs,NULL,1);  //取消挂载
MOUNT_ERR:
        return 0;
/* 7、没有发生错误 */
ALL_OK:
    return 1;
}
步骤1~4跟前面测试FATFS的程序一样。
步骤5是以512字节为单位，依次读取“download.bin”文件内的内容。这样做的原因是比较节省RAM。不管程序有多大，烧录过程使用的RAM固定是512字节不变。
步骤5需要区分两种情况，一种是本次读取内容的大小是正常的512字节。另一种情况是最后一个块不足512字节了。这里简单判断一下，区分处理即可。
函数用了goto来实现错误处理，可能触犯了很多人坚决不用goto的信条。这东西见仁见智吧，好用是真的好用。
步骤5.5里面检查了校验和是否为0。这个操作的前提是，我把bin文件拖到SD卡之前，把整个bin文件的异或(^)校验和添加到了bin文件的最后一个字节（使用UltraEdit）。因此到单片机去计算整个文件的异或校验和时，就会得到0。
5 总结

整个过程下来还是比较顺利的。重点是移植SD卡驱动和移植FATFS，这两步完成后，剩下的逻辑就非常简单了，特别是对于有文件编程经验的人来说。