大家好，我是良许
在嵌入式开发中，存储器的选择往往决定了产品的成本和性能。
作为一名从事嵌入式开发多年的程序员，我在项目中经常需要为设备选择合适的存储方案。
SD卡和TF卡作为两种最常见的可移动存储介质，它们的应用场景各有千秋。
今天就来和大家聊聊这两种存储卡在实际项目中的应用，以及我在开发过程中积累的一些经验。
1. SD卡和TF卡的基本概念
1.1 什么是SD卡
SD卡（Secure Digital Card）是一种基于半导体闪存的存储卡，由松下、东芝和SanDisk公司于1999年联合开发。
SD卡的标准尺寸为32mm×24mm×2.1mm，相对来说体积较大，但接口稳定性好，适合需要频繁插拔的应用场景。
在我早期做汽车电子项目时，车载导航系统普遍使用SD卡来存储地图数据。
这是因为SD卡的物理尺寸较大，插拔时不容易损坏，而且当时SD卡的容量已经能够满足地图存储的需求。
SD卡支持SPI和SDIO两种通信协议，其中SDIO协议的传输速度更快，可以达到104MB/s甚至更高。
1.2 什么是TF卡
TF卡（TransFlash Card），后来被SD协会收编后改名为microSD卡，是一种超小型的存储卡。
它的尺寸仅为15mm×11mm×1mm，是目前最小的存储卡格式之一。
TF卡虽然体积小，但功能和SD卡完全相同，只是物理尺寸不同而已。
在我目前的项目中，几乎所有的便携式设备都采用TF卡作为存储方案。
比如我们为客户开发的一款工业相机，就使用了TF卡来存储拍摄的图像数据。
TF卡的小巧体积使得设备可以做得更加紧凑，这在空间受限的嵌入式系统中是非常重要的优势。
1.3 两者的主要区别
从技术角度来看，SD卡和TF卡在电气特性和通信协议上基本相同，主要区别在于物理尺寸。
SD卡更大更厚，接触面积大，插拔时的机械强度更好。
TF卡则更小更薄，适合空间受限的应用。
在实际开发中，我们可以通过转接卡将TF卡转换为SD卡使用，但反过来就不行了。
另外一个重要区别是成本。
由于TF卡的生产工艺更复杂，相同容量和速度等级的TF卡通常比SD卡贵一些。
但在批量采购时，这个价格差异会缩小。
我在给客户做成本分析时，通常会综合考虑存储卡本身的价格、卡座的价格以及PCB板的空间成本。
2. SD卡和TF卡在嵌入式系统中的应用
2.1 数据存储应用
在嵌入式系统中，SD卡和TF卡最基本的应用就是数据存储。
我在做过的项目中，有很多设备需要记录运行日志、传感器数据或者用户配置信息。
比如我们开发的一款环境监测设备，需要每隔10秒钟记录一次温度、湿度、PM2.5等数据，一天下来就会产生大量的数据。
使用TF卡存储这些数据，不仅成本低廉，而且可以方便地将数据导出到电脑进行分析。
在STM32平台上实现SD卡的基本读写操作，使用HAL库可以这样做：
#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "fatfs.h"
// SD卡句柄
SD_HandleTypeDef hsd;
// 初始化SD卡
HAL_StatusTypeDef SD_Init(void)
{
hsd.Instance = SDIO;
hsd.Init.ClockEdge = SDIO_CLOCK_EDGE_RISING;
hsd.Init.ClockBypass = SDIO_CLOCK_BYPASS_DISABLE;
hsd.Init.ClockPowerSave = SDIO_CLOCK_POWER_SAVE_DISABLE;
hsd.Init.BusWide = SDIO_BUS_WIDE_1B;
hsd.Init.HardwareFlowControl = SDIO_HARDWARE_FLOW_CONTROL_DISABLE;
hsd.Init.ClockDiv = 0;
if (HAL_SD_Init(&hsd) != HAL_OK)
{
return HAL_ERROR;
}
// 配置为4位总线宽度以提高速度
if (HAL_SD_ConfigWideBusOperation(&hsd， SDIO_BUS_WIDE_4B) != HAL_OK)
{
return HAL_ERROR;
}
return HAL_OK;
}
// 写入数据到SD卡
HAL_StatusTypeDef SD_WriteData(uint32_t blockAddr， uint8_t *pData， uint32_t numBlocks)
{
HAL_StatusTypeDef status;
status = HAL_SD_WriteBlocks(&hsd， pData， blockAddr， numBlocks， HAL_MAX_DELAY);
if (status == HAL_OK)
{
// 等待写入完成
while(HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER)
{
}
}
return status;
}
// 从SD卡读取数据
HAL_StatusTypeDef SD_ReadData(uint32_t blockAddr， uint8_t *pData， uint32_t numBlocks)
{
HAL_StatusTypeDef status;
status = HAL_SD_ReadBlocks(&hsd， pData， blockAddr， numBlocks， HAL_MAX_DELAY);
if (status == HAL_OK)
{
// 等待读取完成
while(HAL_SD_GetCardState(&hsd) != HAL_SD_CARD_TRANSFER)
{
}
}
return status;
}
这段代码展示了如何在STM32上初始化SD卡并进行基本的读写操作。
在实际项目中，我通常会在此基础上集成FatFS文件系统，这样就可以像操作普通文件一样操作SD卡了。
2.2 固件升级应用
在我做过的很多项目中，SD卡和TF卡被用作固件升级的介质。
这种方式特别适合那些部署在野外或者难以通过网络升级的设备。
用户只需要将新的固件文件拷贝到存储卡中，插入设备，设备启动时会自动检测并完成升级。
我在一个工业控制器项目中实现过这样的功能。
设备启动时，Bootloader会检查SD卡中是否存在特定名称的固件文件。
如果存在，就会读取这个文件并烧写到Flash中，然后跳转到新的应用程序。
这个过程的关键代码如下：
#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "fatfs.h"
#define FIRMWARE_FILE_NAME "firmware.bin"
#define APP_START_ADDRESS 0x08010000 // 应用程序起始地址
// 从SD卡升级固件
HAL_StatusTypeDef UpdateFirmwareFromSD(void)
{
FIL file;
FRESULT fres;
UINT bytesRead;
uint8_t buffer[1024];
uint32_t flashAddress = APP_START_ADDRESS;
// 打开固件文件
fres = f_open(&file， FIRMWARE_FILE_NAME， FA_READ);
if (fres != FR_OK)
{
return HAL_ERROR; // 文件不存在或打开失败
}
// 解锁Flash
HAL_FLASH_Unlock();
// 擦除应用程序区域
FLASH_EraseInitTypeDef eraseInit;
uint32_t sectorError;
eraseInit.TypeErase = FLASH_TYPEERASE_SECTORS;
eraseInit.Sector = FLASH_SECTOR_4; // 根据实际情况调整
eraseInit.NbSectors = 4; // 擦除4个扇区
eraseInit.VoltageRange = FLASH_VOLTAGE_RANGE_3;
if (HAL_FLASHEx_Erase(&eraseInit， §orError) != HAL_OK)
{
HAL_FLASH_Lock();
f_close(&file);
return HAL_ERROR;
}
// 读取文件并写入Flash
while (1)
{
fres = f_read(&file， buffer， sizeof(buffer)， &bytesRead);
if (fres != FR_OK || bytesRead == 0)
{
break;
}
// 将数据写入Flash
for (uint32_t i = 0; i < bytesRead; i += 4)
{
uint32_t data = *(uint32_t *)(buffer + i);
if (HAL_FLASH_Program(FLASH_TYPEPROGRAM_WORD， flashAddress， data) != HAL_OK)
{
HAL_FLASH_Lock();
f_close(&file);
return HAL_ERROR;
}
flashAddress += 4;
}
}
// 锁定Flash
HAL_FLASH_Lock();
f_close(&file);
// 删除固件文件，避免重复升级
f_unlink(FIRMWARE_FILE_NAME);
return HAL_OK;
}
这个固件升级方案在我们的产品中运行得非常稳定。
客户反馈说这种升级方式比通过串口或者网络升级要可靠得多，特别是在网络环境不好的工业现场。
2.3 多媒体应用
在音视频相关的嵌入式项目中，SD卡和TF卡的应用更是不可或缺。
我参与过一个行车记录仪项目，使用TF卡来存储录制的视频。
这类应用对存储卡的写入速度要求很高，因为视频数据是连续产生的，如果写入速度跟不上，就会导致丢帧。
在选择存储卡时，我们需要特别注意卡的速度等级。
SD协会定义了多种速度等级标准，包括Class 2/4/6/10，UHS-I/II/III等。
对于1080P视频录制，至少需要Class 10或者UHS-I U1等级的卡。
在我们的项目中，为了保证4K视频的流畅录制，我们要求客户使用UHS-I U3或更高等级的TF卡。
在代码实现上，我们使用了DMA来提高数据传输效率：
// 使用DMA写入视频数据
HAL_StatusTypeDef SD_WriteDMA(uint32_t blockAddr， uint8_t *pData， uint32_t numBlocks)
{
HAL_StatusTypeDef status;
// 启动DMA传输
status = HAL_SD_WriteBlocks_DMA(&hsd， pData， blockAddr， numBlocks);
return status;
}
// DMA传输完成回调函数
void HAL_SD_TxCpltCallback(SD_HandleTypeDef *hsd)
{
// 设置标志位，通知应用层写入完成
sdWriteComplete = 1;
}
// 在主循环中处理视频数据
void ProcessVideoData(void)
{
static uint8_t videoBuffer[VIDEO_BUFFER_SIZE];
static uint32_t currentBlock = 0;
// 从摄像头获取视频数据
if (GetVideoFrame(videoBuffer， VIDEO_BUFFER_SIZE) == HAL_OK)
{
// 等待上一次写入完成
while (sdWriteComplete == 0)
{
// 可以在这里处理其他任务
}
sdWriteComplete = 0;
// 启动DMA写入
SD_WriteDMA(currentBlock， videoBuffer， VIDEO_BUFFER_SIZE / 512);
currentBlock += VIDEO_BUFFER_SIZE / 512;
}
}
使用DMA可以大大减轻CPU的负担，让CPU有更多时间处理视频编码等计算密集型任务。
在我们的行车记录仪项目中，使用DMA后CPU占用率从85%降低到了60%左右。
2.4 数据采集应用
在工业数据采集系统中，SD卡和TF卡也扮演着重要角色。
我曾经为一家制造企业开发过一套生产线监控系统，需要实时采集多个传感器的数据并存储到TF卡中。
这个项目的挑战在于数据量大、采样频率高，而且需要保证数据不丢失。
为了解决这个问题，我采用了双缓冲机制。
系统使用两块内存缓冲区，一块用于接收传感器数据，另一块用于写入TF卡。
当一块缓冲区写满后，立即切换到另一块，同时将写满的缓冲区数据写入TF卡。
这样可以保证数据采集的连续性。
#define BUFFER_SIZE 4096
// 双缓冲区
uint8_t dataBuffer1[BUFFER_SIZE];
uint8_t dataBuffer2[BUFFER_SIZE];
uint8_t *currentBuffer;
uint8_t *writeBuffer;
uint32_t bufferIndex = 0;
// 初始化双缓冲
void InitDoubleBuffer(void)
{
currentBuffer = dataBuffer1;
writeBuffer = dataBuffer2;
bufferIndex = 0;
}
// 数据采集回调函数（在定时器中断中调用）
void DataAcquisitionCallback(void)
{
uint16_t sensorData;
// 读取传感器数据
sensorData = ReadSensorData();
// 将数据存入当前缓冲区
currentBuffer[bufferIndex++] = (sensorData >> 8) & 0xFF;
currentBuffer[bufferIndex++] = sensorData & 0xFF;
// 如果缓冲区满了，切换缓冲区
if (bufferIndex >= BUFFER_SIZE)
{
// 交换缓冲区指针
uint8_t *temp = currentBuffer;
currentBuffer = writeBuffer;
writeBuffer = temp;
bufferIndex = 0;
// 设置标志，通知主循环写入SD卡
bufferReadyFlag = 1;
}
}
// 在主循环中写入SD卡
void MainLoop(void)
{
static uint32_t fileBlock = 0;
while (1)
{
if (bufferReadyFlag)
{
bufferReadyFlag = 0;
// 将数据写入SD卡
SD_WriteData(fileBlock， writeBuffer， BUFFER_SIZE / 512);
fileBlock += BUFFER_SIZE / 512;
}
// 处理其他任务
}
}
这个双缓冲方案在我们的项目中表现很好，即使在采样频率达到10kHz的情况下，也能保证数据不丢失。
客户对这个方案非常满意，后来又追加了几套同样的系统。
3. SD卡和TF卡的选型建议
3.1 容量选择
在选择存储卡容量时，我通常会根据应用的具体需求来决定。
对于日志记录类应用，一般4GB到16GB就足够了。
但对于视频录制或者大量图像存储的应用，可能需要32GB甚至更大的容量。
需要注意的是，并不是容量越大越好。
在我的经验中，容量过大的存储卡在格式化和文件系统维护时会花费更多时间。
而且，如果使用FAT32文件系统，单个文件的大小限制是4GB，这在长时间视频录制时需要特别注意。
对于需要存储超过4GB单个文件的应用，建议使用exFAT文件系统。
3.2 速度等级选择
速度等级的选择直接影响系统的性能。
在我做过的项目中，如果只是存储日志或者配置文件，Class 4的卡就够用了。
但如果是视频录制或者高速数据采集，就必须选择Class 10或者UHS等级的卡。
这里有一个实际的例子。
我们在开发一款工业相机时，最初使用的是Class 10的TF卡。
在测试中发现，当连续拍摄高分辨率图片时，偶尔会出现保存失败的情况。
后来更换为UHS-I U3等级的卡后，问题就完全解决了。
所以在选型时，一定要根据实际的数据传输速率来选择合适的速度等级，并且留有一定的余量。
3.3 品牌和可靠性
在嵌入式产品中，存储卡的可靠性至关重要。
我在项目中一般会选择SanDisk、Samsung、Kingston等知名品牌的产品。
虽然价格可能贵一些，但质量和售后服务有保障。
我曾经遇到过一个教训。
在一个项目中，为了降低成本，客户坚持使用某个不知名品牌的TF卡。
结果产品上市后，陆续收到用户反馈说数据丢失。
后来排查发现，是TF卡的质量问题导致的。
最终不得不召回产品更换存储卡，损失远远超过了当初节省的成本。
所以我现在在给客户做方案时，都会强调存储卡质量的重要性。
3.4 工业级vs消费级
对于工业应用，我强烈建议使用工业级的存储卡。
工业级存储卡在温度范围、抗震性、使用寿命等方面都比消费级产品要好得多。
虽然价格可能是消费级产品的2到3倍，但在恶劣环境下的可靠性是值得的。
在我参与的一个户外监控项目中，设备需要在-40°C到85°C的温度范围内工作。
我们使用的是SanDisk的工业级TF卡，经过两年的实际运行，故障率几乎为零。
而同期使用消费级TF卡的竞品，在极端温度下频繁出现问题。
4. 使用中的注意事项
4.1 文件系统的选择
在嵌入式系统中使用SD卡或TF卡，通常需要配合文件系统使用。
最常用的是FAT32和exFAT。FAT32兼容性好，几乎所有设备都支持，但有单个文件4GB的限制。
exFAT没有这个限制，但不是所有设备都支持。
在我的项目中，如果不需要存储超过4GB的单个文件，我都会选择FAT32。
因为FAT32的实现更简单，占用的资源更少。
在STM32这样的MCU上，使用FatFS库可以很方便地实现FAT32文件系统：
#include "ff.h"
FATFS fs; // 文件系统对象
FIL file; // 文件对象
FRESULT fres; // 操作结果
// 挂载文件系统
void MountFileSystem(void)
{
fres = f_mount(&fs， "0:"， 1);
if (fres != FR_OK)
{
// 挂载失败，可能需要格式化
printf("Mount failed， error code: %d\n"， fres);
}
}
// 写入日志文件
void WriteLog(const char *logMessage)
{
UINT bytesWritten;
// 打开文件，如果不存在则创建
fres = f_open(&file， "log.txt"， FA_OPEN_APPEND | FA_WRITE);
if (fres == FR_OK)
{
// 写入时间戳
char timestamp[32];
sprintf(timestamp， "[%lu] "， HAL_GetTick());
f_write(&file， timestamp， strlen(timestamp)， &bytesWritten);
// 写入日志内容
f_write(&file， logMessage， strlen(logMessage)， &bytesWritten);
f_write(&file， "\n"， 1， &bytesWritten);
// 关闭文件
f_close(&file);
}
}
4.2 数据完整性保护
在嵌入式系统中，突然断电是常见的情况。
如果在写入SD卡时突然断电，可能会导致数据损坏甚至整个文件系统损坏。
为了避免这个问题，我在项目中通常会采取以下措施：
首先，尽量减少文件的打开关闭次数。
频繁打开关闭文件会增加文件系统损坏的风险。
其次，在关键数据写入后，调用f_sync()函数强制将缓冲区数据写入存储卡。
最后，可以考虑实现一个简单的日志系统，记录每次写入操作，这样即使发生数据损坏，也可以通过日志恢复。
// 安全写入数据
HAL_StatusTypeDef SafeWriteData(const char *filename， uint8_t *data， uint32_t size)
{
FIL file;
FRESULT fres;
UINT bytesWritten;
// 打开文件
fres = f_open(&file， filename， FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);
if (fres != FR_OK)
{
return HAL_ERROR;
}
// 写入数据
fres = f_write(&file， data， size， &bytesWritten);
if (fres != FR_OK || bytesWritten != size)
{
f_close(&file);
return HAL_ERROR;
}
// 强制同步，确保数据写入存储卡
fres = f_sync(&file);
if (fres != FR_OK)
{
f_close(&file);
return HAL_ERROR;
}
// 关闭文件
f_close(&file);
return HAL_OK;
}
4.3 热插拔处理
在某些应用中，用户可能需要在设备运行时插拔存储卡。
这就需要我们的程序能够检测存储卡的插入和移除，并做出相应的处理。
大多数SD卡座都有一个检测引脚，可以用来检测卡的插入状态。
在我的项目中，我通常会使用GPIO中断来检测存储卡的插拔：
// 卡检测引脚的GPIO中断回调
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
if (GPIO_Pin == SD_DETECT_PIN)
{
// 延时去抖动
HAL_Delay(50);
if (HAL_GPIO_ReadPin(SD_DETECT_PORT， SD_DETECT_PIN) == GPIO_PIN_RESET)
{
// 卡插入
cardInserted = 1;
// 重新挂载文件系统
f_mount(&fs， "0:"， 1);
}
else
{
// 卡移除
cardInserted = 0;
// 卸载文件系统
f_mount(NULL， "0:"， 0);
}
}
}
// 在写入前检查卡是否存在
HAL_StatusTypeDef WriteDataToCard(uint8_t *data， uint32_t size)
{
if (!cardInserted)
{
return HAL_ERROR; // 卡未插入
}
// 执行写入操作
return SafeWriteData("data.bin"， data， size);
}
4.4 性能优化
在实际应用中，SD卡的读写性能可能会成为系统的瓶颈。
我在项目中总结了一些优化技巧：
第一，使用块读写而不是字节读写。
SD卡的最小读写单位是512字节的块，使用块读写可以大大提高效率。
第二，尽量使用连续的存储空间。
碎片化的文件会降低读写速度。
在我的一个项目中，定期整理存储卡可以将写入速度提升30%左右。
第三，合理设置FatFS的扇区大小和缓冲区大小。
在ffconf.h配置文件中，可以调整这些参数来优化性能：
// ffconf.h 中的关键配置
#define FF_MAX_SS 4096 // 最大扇区大小，增大可以提高性能
#define FF_MIN_SS 512 // 最小扇区大小
#define FF_USE_LFN 2 // 长文件名支持
#define FF_FS_LOCK 4 // 文件锁定功能
第四，对于大文件的写入，可以考虑使用f_expand()函数预分配空间，这样可以减少文件系统的开销：
// 预分配文件空间
FRESULT PreAllocateFile(const char *filename， FSIZE_t size)
{
FIL file;
FRESULT fres;
// 创建文件
fres = f_open(&file， filename， FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);
if (fres != FR_OK)
{
return fres;
}
// 预分配空间
fres = f_expand(&file， size， 1);
if (fres != FR_OK)
{
f_close(&file);
return fres;
}
f_close(&file);
return FR_OK;
}
5. 总结
SD卡和TF卡在嵌入式系统中的应用非常广泛，从简单的数据存储到复杂的多媒体应用，它们都能胜任。
在我多年的嵌入式开发经验中，选择合适的存储方案、正确地使用存储卡、做好数据保护和性能优化，是保证产品稳定运行的关键。
对于初学者来说，建议先从简单的文件读写开始，逐步掌握文件系统的使用。
对于有经验的开发者，则需要更多地关注可靠性和性能优化。
无论是哪个阶段，都要记住一点：存储卡虽然看起来简单，但在实际应用中有很多细节需要注意。
只有充分理解和掌握这些细节，才能开发出稳定可靠的产品。
希望这篇文章能够帮助大家更好地理解和应用SD卡和TF卡。
如果你在项目中遇到相关问题，欢迎交流讨论。
作为一名深耕嵌入式领域的程序员，我深知技术交流的重要性，也愿意将自己的经验分享给更多的同行。
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