SPI读写SD卡速度有多快？

Posted 2023-03-13 天外飞仙CUG

SD卡是一个嵌入式中非常常用的外设，可以用于存储一些大容量的数据。但用单片机读写SD卡速度一般都有限（对于高速SD卡，主要是受限于单片机本身的接口速度），在高速、实时数据存储时可能会有影响。但具体速度可以达到多少呢，今天就来实际测试一下。

SD卡一般有两种常用的接口SPI和SDIO，SDIO又有1线和4线之分。很多单片机没有SDIO接口，但SPI接口就比较常用，今天主要来测试一下SPI接口读写SD卡的速度，主要是写入速度。

测试条件：

单片机：STM32L433CCT6

编译环境：MDK 5.30+HAL库

SD卡：32Gbit SDNAND，型号：米客方德MKDV32GCL-STH

文件系统：FatFS R0.12c

1.单纯SPI接口测试（非DMA）

我们知道，想SD卡之类的Flash存储器，一般都是按扇区擦除整块数据。因此每次写入字节数是扇区整数倍时，效率会比较高。同时，每次写入数据时，都需要先发送一些SD卡的指令，所以单次写入数据量越大，平均速度也就越快。了解了这些，我们就知道如何进行测试了。

首先，SD卡底层驱动使用的是HAL库函数，单字节读写，没有任何改动和优化：

uint8_tSPI_ReadWriteByte(uint8_t TxData)
 
    uint8_t RxData = 0;
    HAL_SPI_TransmitReceive(&hspi3,&TxData,&RxData,1,100);
    return RxData;

接下来，我们先确定SPI和时钟频率多少合适，经过测试，发现20MHz的时钟频率比较合适，10MHz时读写速度会降低，再高的时钟频率对速度的提升也很小。因此我们这里用20MHz的时钟。

然后我们分别测试单次写入4KB、8KB、16KB时的速度为多少，测试结果如下：

可以看到，单次写入数据量越大，平均速度就越快。当单次写入数据达到32KB时，速度提升不明显。而且一般单片机内部RAM缓存也有限，单次写入16KB是一个比较合适的选择。

看到这个不到100KB/S速度，我还是有的不敢相信的，毕竟20MHz的时钟，理论上速度可以达到2MB/S左右，考虑到一些文件系统等协议的消耗，能到1/3差不多，那也得600多KB，现在的速度差距有点大。

当然，这个使用的HAL库函数有关，HAL_SPI_TransmitReceive函数效率比较低，内部做了大量的判断等操作，而且单字节传输也严重影响效率。如果自己优化一下，相信效率会有很大的提升。有兴趣的小伙伴可以试试。我们这次其实主要是测试SPI+DMA的速度，所以就不在这里纠结了。

2.SPI+DMA接口测试

DMA可以在外设和内存之间搬运数据，而不需要CPU的参与。其优势在于大量数据传输时，比如SD卡读写、SPI接口的液晶屏刷屏等。如果只是读写几个字节的数据，比如一些SPI接口的AD、DA等，DMA的优势就不明显。

因为SPI接口的设备一般都不是纯数据传输，都要配合一些指令等。所以即使使用DMA，也是要等待DMA传输完成再进行其它操作。当然这期间CPU可以通过中断方式去处理一些其它事情。

SPI+DMA写数据函数如下，使用的也是HAL库，没有进行优化。

int8_t SD_WriteBuffer_DMA(const uint8_t *TxData, uint16_t Size)

  uint32_t i = 0;          // 循环变量

  SPI3_DMA_Flag = 0;
  SPI_TransmitReceive_DMA(&HSPI_TF, (uint8_t*)TxData, txrxdata, Size); 

  /* 等待DMA传输完成 */
  while (1)
  
    if(SPI3_DMA_Flag == 1)
      break;
    i++;
    if (i > 0xFFFFFF)
    
      return 1;  /* 超时退出 */
    
  
  return 0;

以向SD卡写数据为例，需要改为DMA的地方有2处：写命令和写扇区数据，因为这两处发送的字节数比较多。一些SD卡的起始、结束、应答等单字节的数据传输使用的还是非DMA方式传输。下面是部分程序：

我们进行了两种测试：只使能DMA写扇区数据，以及使能DMA写扇区数据和发送指令。都是按照单次写入16KB进行测试，测试结果如下：

可以看到，速度提升非常明显。数据和指令都用DMA传输时，速度最快。如果再进行一些底层函数的优化，速度还会有提升。

最后我们对读取速度也进行了测试，使用DMA方式，使能DMA读扇区数据和发送指令，测试结果如下，读取速度可以达到1.1MB~1.2MB/S。

3.总结

SPI+DMA的方式读写SD卡速度优势明显，推荐使用。当然，这跟非DMA方式的底层函数效率低下有很大的关系。

但DMA的另一个更重要的优势在于，读写数据时可以大部分释放CPU资源。比如我之前的一个应用，需要以1KHz的频率在外部中断中去读取一些数据，每次大约需要几十uS。如果使用非DMA方式，频繁的中断，且几十uS时间也不短，会导致SD卡写入出错。而使用DMA方式则不会有这个问题。

驱动程序：

https://download.csdn.net/download/zhang062061/87554323