SPI方式讀寫SD卡速度有多快？

嵌入式技術(shù)開發(fā)

很久沒有寫公眾號了，一方面忙，另一方面也不知道寫些什么內(nèi)容，大家如果有想了解的（前提是我也懂），可以后臺發(fā)送給我。
今天主要來測試一下SPI讀寫SD卡的速度。SD卡是一個嵌入式中非常常用的外設(shè)，可以用于存儲一些大容量的數(shù)據(jù)。但用單片機讀寫SD卡速度一般都有限（對于高速SD卡，主要是受限于單片機本身的接口速度），在高速、實時數(shù)據(jù)存儲時可能會有影響。但具體速度可以達到多少呢，今天就來實際測試一下。
SD卡一般有兩種常用的接口SPI和SDIO，SDIO又有1線和4線之分。很多單片機沒有SDIO接口，但SPI接口就比較常用，今天主要來測試一下SPI接口讀寫SD卡的速度，主要是寫入速度。         
測試條件：單片機：STM32L433CCT6編譯環(huán)境：MDK 5.30+HAL庫SD卡：32Gbit  SDNAND，型號：米客方德MKDV32GCL-STH文件系統(tǒng)：FatFS R0.12c                   1.單純SPI接口測試（非DMA）
我們知道，像SD卡之類的Flash存儲器，一般都是按扇區(qū)擦除整塊數(shù)據(jù)。因此每次寫入字節(jié)數(shù)是扇區(qū)整數(shù)倍時，效率會比較高。同時，每次寫入數(shù)據(jù)時，都需要先發(fā)送一些SD卡的指令，所以單次寫入數(shù)據(jù)量越大，平均速度也就越快。了解了這些，我們就知道如何進行測試了。
首先，SD卡底層驅(qū)動使用的是HAL庫函數(shù)，單字節(jié)讀寫，沒有任何改動和優(yōu)化：

uint8_t SPI_ReadWriteByte(uint8_t TxData){    uint8_t RxData = 0;HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi3,&TxData,&RxData,1,100);    return RxData;}
接下來，我們先確定SPI和時鐘頻率多少合適，經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)20MHz的時鐘頻率比較合適，10MHz時讀寫速度會降低，再高的時鐘頻率對速度的提升也很小。因此我們這里用20MHz的時鐘。
然后我們分別測試單次寫入4KB、8KB、16KB時的速度為多少，測試結(jié)果如下：         

可以看到，單次寫入數(shù)據(jù)量越大，平均速度就越快。當單次寫入數(shù)據(jù)達到32KB時，速度提升不明顯。而且一般單片機內(nèi)部RAM緩存也有限，單次寫入16KB是一個比較合適的選擇。
看到這個不到100KB/S速度，我還是有的不敢相信的，畢竟20MHz的時鐘，理論上速度可以達到2MB/S左右，考慮到一些文件系統(tǒng)等協(xié)議的消耗，能到1/3差不多，那也得600多KB，現(xiàn)在的速度差距有點大。
當然，這個使用的HAL庫函數(shù)有關(guān)，HAL_SPI_TransmitReceive函數(shù)效率比較低，內(nèi)部做了大量的判斷等操作，而且單字節(jié)傳輸也嚴重影響效率。如果自己優(yōu)化一下，相信效率會有很大的提升。有興趣的小伙伴可以試試。我們這次其實主要是測試SPI+DMA的速度，所以就不在這里糾結(jié)了。
2.SPI+DMA接口測試
DMA可以在外設(shè)和內(nèi)存之間搬運數(shù)據(jù)，而不需要CPU的參與。其優(yōu)勢在于大量數(shù)據(jù)傳輸時，比如SD卡讀寫、SPI接口的液晶屏刷屏等。如果只是讀寫幾個字節(jié)的數(shù)據(jù)，比如一些SPI接口的AD、DA等，DMA的優(yōu)勢就不明顯。
因為SPI接口的設(shè)備一般都不是純數(shù)據(jù)傳輸，都要配合一些指令等。所以即使使用DMA，也是要等待DMA傳輸完成再進行其它操作。當然這期間CPU可以通過中斷方式去處理一些其它事情。
SPI+DMA寫數(shù)據(jù)函數(shù)如下，使用的也是HAL庫，沒有進行優(yōu)化。         

int8_t SD_WriteBuffer_DMA(const uint8_t *TxData, uint16_t Size){  uint32_t i = 0;          // 循環(huán)變量
  SPI3_DMA_Flag = 0;  SPI_TransmitReceive_DMA(&HSPI_TF, (uint8_t*)TxData, txrxdata, Size);
  /* 等待DMA傳輸完成 */  while (1)  {    if(SPI3_DMA_Flag == 1)      break;    i++;    if (i > 0xFFFFFF)    {      return 1;  /* 超時退出 */    }  }  return 0;}
以向SD卡寫數(shù)據(jù)為例，需要改為DMA的地方有2處：寫命令和寫扇區(qū)數(shù)據(jù)，因為這兩處發(fā)送的字節(jié)數(shù)比較多。一些SD卡的起始、結(jié)束、應(yīng)答等單字節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸使用的還是非DMA方式傳輸。下面是部分程序：

我們進行了兩種測試：只使能DMA寫扇區(qū)數(shù)據(jù)，以及使能DMA寫扇區(qū)數(shù)據(jù)和發(fā)送指令。都是按照單次寫入16KB進行測試，測試結(jié)果如下：

可以看到，速度提升非常明顯。數(shù)據(jù)和指令都用DMA傳輸時，速度最快。如果再進行一些底層函數(shù)的優(yōu)化，速度還會有提升。
最后我們對讀取速度也進行了測試，使用DMA方式，使能DMA讀扇區(qū)數(shù)據(jù)和發(fā)送指令，測試結(jié)果如下，讀取速度可以達到1.1MB~1.2MB/S。

3.總結(jié)
SPI+DMA的方式讀寫SD卡速度優(yōu)勢明顯，推薦使用。當然，這跟非DMA方式的底層函數(shù)效率低下有很大的關(guān)系。
但DMA的另一個更重要的優(yōu)勢在于，讀寫數(shù)據(jù)時可以大部分釋放CPU資源。比如我之前的一個應(yīng)用，需要以1KHz的頻率在外部中斷中去讀取一些數(shù)據(jù)，每次大約需要幾十uS。如果使用非DMA方式，頻繁的中斷，且?guī)资畊S時間也不短，會導致SD卡寫入出錯。而使用DMA方式則不會有這個問題。
最后，附上底層驅(qū)動程序：鏈接：https://pan.baidu.com/s/1RnMCw5EAm_xMjT-UkUKoMA?pwd=98sb提取碼：98sb

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