NAND Flash（贴片式TF卡）存储新突破，基础示例

目录

　　引言

　　SD卡的发展

　　SD NAND卡的特性与优势

　　二代SD NAND五大优点

　　SD NAND六大主要优势

　　现有产品分类

　　实际应用场景

　　SD NAND芯片推荐线路连接：

　　CSNP4GCR01-AMW的介绍

　　基础使用例程

　　例程环境简介

　　硬件设备及电路

　　项目创建流程

　　代码

　　例程结果

　　对比市场现有产品

　　创世半导体（CS)是全球首家推出SD NAND FLASH产品的厂商，SD NAND的出现大大降低了使用 NAND FLASH 的技术难度。

　　————————————————

引言

　　随着科技的发展，数据的存储需求也在日益增长。在这个信息爆炸的时代，一款高效、稳定、便携的存储设备显得尤为重要。新品SD卡——SD NAND，应运而生，为我们的数据存储带来了新的革命。

SD卡的发展

　　SD卡自问世以来，其体积不断缩小，容量逐步增大，速度也在不断提升。

　　开始。

　　1997年11月，闪迪和英飞凌联合推出了MMC（MultiMediaCard）存储卡。

　　1999年8月，闪迪又联合松下、东芝推出了SD（Secure Digital）存储卡。SD卡拥有与MMC卡相同的长宽尺寸，略厚一些（2.1mm VS. 1.4mm）。早期SD卡设备/读卡器都能同时兼容MMC卡。

　　2000年1月，SD卡协会正式成立，当年推出了最大容量64MB、传输速度约12.5MB/s的产品。

　　2003年3月，闪迪展示了面向手机等移动设备的miniSD卡（目前已退出市场）。

　　2004年2月，闪迪又和摩托罗拉发布了更小巧的microSD卡（也称为TransFlash或TF卡）。

　　2005年7月，SD卡协会确认了microSD卡规范，传输速度也提升到了约25MB/s。

　　2006年1月，SD 2.0带来了采用FAT32文件系统、最大容量32GB的SDHC（包括miniSDHC、microSDHC）卡。而最初版本的SD卡采用FAT12/FAT16文件系统，最大容量为2GB。

　　2010年5月，SD 3.01带来了采用exFAT文件系统、最大容量提升到2TB的SDXC（包括microSDXC）卡；以及UHS-I高速总线，最大传输速度为104MB/s。

　　2011年6月，SD 4.0带来了UHS-II总线。这种SD卡（包括microSD卡）具有两排触点，可以实现全双工156MB/s、半双工312MB/s的传输速度。

　　2016年2月，SD 5.0带来了视频速度等级规范，包括V30、V60、V90。

　　2016年11月，SD 5.1增加了针对App运行性能的A1标准。在满足10MB/s持续读写的基础上，增加了随机读取1500IOPS、随机写入500IOPS的要求。

　　2017年2月，SD 6.0带来了全双工312MB/s、全双工624MB/s的UHS-III总线以及随机读取4000IOPS、随机写入2000IOPS的A2标准。UHS-III向下兼容UHS-II，但到目前为止都没有看到任何样品。

　　2016年11月，SD 5.1增加了针对App运行性能的A1标准。在满足10MB/s持续读写的基础上，增加了随机读取1500IOPS、随机写入500IOPS的要求。

　　2017年2月，SD 6.0带来了全双工312MB/s、全双工624MB/s的UHS-III总线以及随机读取4000IOPS、随机写入2000IOPS的A2标准。UHS-III向下兼容UHS-II，但到目前为止都没有看到任何样品。

　　2019年初，闪迪推出“UHS-I超频卡”，突破了104MB/s的速度瓶颈。之后，金士顿、雷克沙等厂商也追加了类似规格的产品。

　　2020年5月，SD 8.0引入了PCIe 3.0×2、PCIe 4.0×1和PCIe 4.0×2，将最高速度提升至接近4GB/s（3938MB/s）。

　　2022年5月，SD 9.0增加了快速启动和安全启动特性，为SD卡创造了半嵌入式应用场景。

　　内存卡在近年来的发展主要集中在提高容量和读写速度上。例如，现在市场上已经出现了容量达到1TB的MicroSD卡，读写速度也不断提高，以满足用户对存储容量和速度的需求。

　　同时，一些新型内存卡如CFexpress和SD Express也正在逐渐普及，它们支持更快的数据传输速度和更大的容量。随着手机互联网的发展，云存储也逐渐在吞食存储卡的市场。过去需要通过内存卡扩展手机存储空间，现在则可以通过云服务，把数据存储在云端。

SD NAND的特性与优势

　　以CSNP4GCR01-AMW为例。

　　不用写驱动程序自带坏块管理的NAND Flash（贴片式TF卡），

　　尺寸小巧，简单易用，兼容性强，稳定可靠，固件可定制，LGA-8封装，

　　标准SDIO接口，兼容SPI/SD接口，兼容各大MCU平台，可替代普通TF卡/SD卡，

　　尺寸6x8mm毫米，机贴手贴都非常方便，

　　内置SLC晶圆擦写寿命10万次，通过1万次随机掉电测试耐高低温，

　　支持工业级温度-40°~+85°，

　　速度级别Class10（读取速度23.5MB/S写入速度12.3MB/S）

　　标准的SD 2.0协议使得用户可以直接移植标准驱动代码，省去了驱动代码编程环节。

　　支持TF卡启动的SOC都可以用SD NAND，

　　提供STM32参考例程及原厂技术支持，

　　主流容量：128MB/512MB/2GB/4GB/8GB，

　　比TF卡稳定，比eMMC便宜。

二代SD NAND五大优点

　　•尺寸小巧

　　•简单易用

　　•兼容性强

　　•稳定可靠

　　•固件可定制

　SD NAND六大主要优势

　　•LGA-8封装,机贴手贴都方便。

　　•尺寸小巧5(6*8mm),助力产品颜值提升。

　　•容量适宜(1Gb/4Gb/32Gb)帮助客户降低成本。

　　•擦写寿命长(内置SLC晶圆,擦写寿命可达5-10万次，专为嵌式而生)。

　　•免驱动(即贴即用)直连SD/SPI接口即可使用，已内置Flash管理程序。

　　•稳定可靠:已通过10k次随机掉电高低温冲击测试。内置FW包含平均读写，坏块管理，垃圾回收等处理机制。

　　SD NAND 与 TF卡的区别：（看图表）

现有产品分类

　　本篇示例代码采用工业级CSNP4GCR01-AMW。容量为512MB。

实际应用场景

　　新一代SD NAND主要应用领域

　　•5G

　　•机器人

　　•智能音箱

　　•智能面板(HMI)

　　•移动支付

　　•智能眼镜(AR)

　　•智能家居

　　•医疗设备

　　•轨道交通

　　•人脸识别

　　•3D打印机

　SD NAND芯片推荐线路连接：

　CSNP4GCR01-AMW的介绍

　　不用写驱动程序自带坏块管理的NAND Flash（贴片式TF卡），

　　尺寸小巧，简单易用，兼容性强，稳定可靠，固件可定制，LGA-8封装，

　　标准SDIO接口，兼容SPI/SD接口，兼容各大MCU平台，可替代普通TF卡/SD卡，

　　尺寸6x8mm毫米，机贴手贴都非常方便，

　　内置SLC晶圆擦写寿命10万次，通过1万次随机掉电测试耐高低温，

　　支持工业级温度-40°~+85°，

　　速度级别Class10（读取速度23.5MB/S写入速度12.3MB/S）

　　标准的SD 2.0协议使得用户可以直接移植标准驱动代码，省去了驱动代码编程环节。

　　支持TF卡启动的SOC都可以用SD NAND，

　　提供STM32参考例程及原厂技术支持，

　　主流容量：128MB/512MB/2GB/4GB/8GB，

　　比TF卡稳定，比eMMC便宜。

基础使用例程

　　例程环境简介

　　项目环境：

　　使用开发板为正点原子探索者STM32F407ZG;

　　STM32CubeMX;

　　Keil;

　　SD NAND：芯片型号 CSNP4GCR01-AMW；芯片转接板（将芯片引脚引出为TF 卡）

　硬件设备及电路

　　SD NAND原理图：

　　探索者TF 卡槽：

　　STM32线路连接

　　使用SDIO模式，

　　D0接PC8; D1接PC9; D2接PC10; D3接PC11;

　　信号

　　SDIO信号“4线模式”

　　CLK：HOST给DEVICE的时钟信号。

　　VDD：电源信号。

　　VSS：Ground信号。

　　DAT0-DAT3：4条数据线

　　CMD：用于HOST发送命令和DEVICE回复响应。

项目创建流程

　　基础时钟配置：

　　SDIO模式配置：

　　FATFS配置：

　　更改缓存区大小：

　　完成项目其他基础配置。

代码

　　while(1)之前：

FATFS fs; /* FatFs 文件系统对象 */

FIL file; /* 文件对象 */

FRESULT f_res; /* 文件操作结果 */

UINT fnum; /* 文件成功读写数量 */

BYTE ReadBuffer[512] = {0}; /* 读缓冲区 */

BYTE WriteBuffer[] = /* 写缓冲区 */

"This is STM32 working with FatFs \r\n STM32的FATFS文件系统测试 \r\n ";

// 在外部 SD 卡挂载文件系统，文件系统挂载时会对 SD 卡初始化

// note:必须先要保证SD卡正常拥有FAT文件系统，如果没有会失败。

f_res = f_mount(&fs, "0:", 1);

/*----------------------- 文件系统测试：写测试 -----------------------------*/

/* 打开文件，如果文件不存在则创建它 */

f_res = f_open(&file, "0:FatFs STM32cube.txt", FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE);

if(f_res == FR_OK)

{

/* 将指定存储区内容写入到文件内 */

f_res = f_write(&file, WriteBuffer, sizeof(WriteBuffer), &fnum);

/* 不再读写，关闭文件 */

f_close(&file);

}

/*------------------- 文件系统测试：读测试 ------------------------------------*/

f_res = f_open(&file, "0:FatFs STM32cube.txt", FA_OPEN_EXISTING | FA_READ);

if(f_res == FR_OK)

{

f_res = f_read(&file, ReadBuffer, sizeof(ReadBuffer), &fnum);

}

/* 不再读写，关闭文件 */

f_close(&file);

/* 不再使用文件系统，取消挂载文件系统 */

f_mount(NULL, "0:", 1);

/* 操作完成，停机 */

　　MX_SDIO_SD_Init()函数中加入

if (HAL_SD_Init(&hsd) != HAL_OK)

{

Error_Handler();

}

if (HAL_SD_ConfigWideBusOperation(&hsd, SDIO_BUS_WIDE_4B) != HAL_OK)

{

Error_Handler();

}

void MX_SDIO_SD_Init(void)

{

/* USER CODE BEGIN SDIO_Init 0 */

/* USER CODE END SDIO_Init 0 */

/* USER CODE BEGIN SDIO_Init 1 */

/* USER CODE END SDIO_Init 1 */

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_ENABLE;

hsd.Init.ClockDiv = 34;

/* USER CODE BEGIN SDIO_Init 2 */

if (HAL_SD_Init(&hsd) != HAL_OK)

{

Error_Handler();

}

if (HAL_SD_ConfigWideBusOperation(&hsd, SDIO_BUS_WIDE_4B) != HAL_OK)

{

Error_Handler();

}

/* USER CODE END SDIO_Init 2 */

}

例程结果

　　新建了一个 STM32cube.txt 文件

　　写入内容如下图所示。

　　Keil 调试 ：成功读取文件内容，暂存至数组中。内容如下

　　代码解释

对比市场现有产品

　　目前再嵌入式中使用最多的存储情况：

　　EEPROM:

　　只能存放字节类型的数据：芯片为AT24CXX;采用IIC通信，存储内容类型，大小有限。

　　U盘 ：

　　存放文件格式多样；采用USB接口；占用空间大；可以热拔插；

　　关于MCU的存储方面，以前基本上用内置的E2PROM,或者是外置的NOR Flash 就可以了。但随着物联网的兴起，MCU的应用越来越广泛了，逐渐的MCU会涉及到大容量的存储需求，用来存储音频，图片（GUI）、视频缓存、协议栈等等。

　　那传统的E2PROM和NOR Flash就不够用了。这个时候MCU可能就需要用到NAND Flash了。但MCU采用大容量存储芯片NAND Flash，面临着新的挑战。

　　每个产品都有自己的优缺点。再存储器件选取上，都是考虑项目本身的需求，个产品性能综合考虑最优存储产品。