SD NAND与MCU通信过程详解

我们可以把这个过程想象成 MCU（大脑） 和 SD NAND（数字笔记本） 之间的一场精密对话。现在把“SD NAND贴片后与MCU通信”这个过程的幕后故事讲清楚。

第一部分：物理连接——建立沟通的桥梁

当SD NAND贴片到PCB上后，它和MCU之间通过一系列物理线路连接。这些线路主要分为以下几类：

1. 电源线（VCC, VSS）：为SD NAND提供工作电力。

2. 时钟线（CLK）：由MCU提供，像乐队的指挥一样，同步所有数据的传输节奏。每一个时钟脉冲就传输一个比特的数据。

3. 命令线（CMD）：这是一条“指令专线”。MCU通过这条线向SD NAND发送命令（如“读”、“写”、“擦除”），SD NAND也通过这条线回复响应（如“好的，收到命令”、“忙，请稍等”）。

4. 数据线（DAT0, DAT1, DAT2, DAT3）：这是“数据高速公路”。实际的文件数据就是通过这4条线进行高速传输。它可以配置为1线、4线模式，线越多，传输速度越快。

这些物理连接构成了它们通信的“硬件层”。

第二部分：通信协议——对话的语言和规则

光有线路还不够，它们需要一套共同的“语言”来交流。这就是SD协议，它建立在命令-响应的模式上。

关键角色：SDIO控制器

在MCU内部，通常有一个专用的硬件模块叫做SDIO控制器。你可以把它理解为MCU的“外交官/翻译官”，专门负责处理复杂的SD协议细节。

• 软件（你的代码） 只需要对“外交官”说：“去地址X读512字节的数据。”

• SDIO控制器 就会自动将你的请求转换成一系列符合SD协议的命令和数据包，通过CLK、CMD、DAT线发送出去。

• 它还会自动解析SD NAND返回的响应和数据，处理好CRC校验、错误重试等底层杂事，最后把干净的数据交给软件。

没有这个硬件控制器，整个过程会变得极其缓慢和复杂，需要MCU用软件模拟时序，大量占用CPU资源。

第三部分：当用户发出指令时，背后发生的完整故事

假设你的产品有一个功能：“记录当前温度到文件”。用户按下按钮，触发这个操作。

阶段一：初始化与识别（第一次握手）

在系统启动时，MCU必须首先和SD NAND建立联系：

1. 上电：PCB通电，SD NAND开始工作。

2. 时钟同步：MCU先以一个很低的时钟频率向SD NAND发送时钟脉冲。

3. 复位命令：MCU通过CMD线发送 GO_IDLE_STATE (CMD0) 命令，让SD NAND恢复到初始状态。

4. 识别与激活：MCU发送一系列初始化命令（如 SEND_IF_COND CMD8, APP_CMD ACMD41），询问SD NAND的电压支持、容量类型（标准SDHC还是高容量SDHC/SDXC）等。

5. 读取OCR寄存器：获取SD NAND的工作电压范围。

6. 获取CID和CSD：读取SD NAND的“身份证”（CID，唯一标识符）和“能力说明书”（CSD，包含了块大小、容量、最大传输速度等关键信息）。

至此，MCU已经知道它在和谁打交道，并且为高速数据传输做好了准备。

阶段二：执行写操作（记录温度）

现在，你的程序要执行 f_write(&file, &temperature, sizeof(temperature), &bytesWritten); （以FatFS文件系统为例）。

1. 文件系统层处理：

• FatFS库收到你的写请求。

• 它知道这个文件在SD NAND上的什么位置（逻辑扇区地址）。

• FatFS会调用底层的 disk_write 函数。

2. 驱动层转换：

• disk_write 函数将逻辑扇区地址和数据指针传递给MCU的SDIO驱动程序。

3. MCU（SDIO控制器）行动：

• 如果校验成功，SD NAND会通过DAT线返回一个数据响应令牌（0x05），意思是“数据收到且完好”。

• 如果校验失败，返回错误，MCU会自动重传。

• 设置DMA：为了不浪费MCU的计算能力，SDIO控制器通常会使用DMA（直接内存访问）。DMA控制器被设置为：从MCU的RAM中特定位置（存放了温度数据）直接取数据，然后喂给SDIO控制器。

• 发送写命令：SDIO控制器通过CMD线发送 WRITE_BLOCK (CMD24) 或 WRITE_MULTIPLE_BLOCK (CMD25) 命令，命令中包含目标物理扇区地址。

• SD NAND响应：SD NAND收到命令后，如果地址有效且准备就绪，会通过CMD线回复一个“正响应”（如 0x00）。

• 发送数据令牌：MCU看到正响应后，先发送一个起始数据令牌（0xFE），告诉SD NAND：“数据马上到！”

• 高速数据传输：SDIO控制器通过4条数据线（DAT0-DAT3），在时钟CLK的同步下，将512字节的整个扇区数据（其中包含你的温度数据，以及该扇区原有的其他数据）高速传输给SD NAND。

• CRC校验与响应：数据发送完毕后，MCU会发送2个字节的CRC校验码。SD NAND收到数据后，会进行校验。

• SD NAND编程：SD NAND将接收到的数据写入其内部的NAND Flash存储单元。这是一个相对较慢的物理过程。

• 查询忙状态：在编程期间，SD NAND会通过DAT线拉低电平，表示“我正忙（Busy）”。MCU的SDIO控制器会持续检测这条线，直到它变高，表示“忙完了，可以接受下一个命令”。

阶段三：执行读操作（读取温度）

读操作是写操作的逆过程，但通常更快，因为不需要“编程”时间。

1. MCU发送 READ_BLOCK (CMD17) 命令，带上要读的物理地址。

2. SD NAND回复正响应。

3. SD NAND先发送起始令牌 0xFE。

4. 紧接着，SD NAND通过数据线将整个扇区的数据发送给MCU。

5. MCU接收数据，进行CRC校验，并回复确认。

6. MCU通过DMA将数据直接存放到你指定的RAM缓冲区中。

7. 最后，文件系统从缓冲区中解析出你需要的温度值。

总结：幕后发生的核心事件

所以，你每一次简单的保存操作，背后都是一场MCU和SD NAND之间遵循严格协议、通过硬件加速、高效协同完成的“精密舞蹈”。这个过程最大限度地发挥了硬件性能，并将MCU的主处理器从繁琐的底层通信中解放出来。

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