GD32F407驱动 SDNAND 的 SPI 接口通信方法

一、基础概念理解

1. 什么是 SPI 接口？

SPI（Serial Peripheral Interface）是一种高速、全双工、同步的通信总线，使用 4 根线进行通信：

• SCLK（时钟线）：主设备控制时钟频率

• MOSI（主出从入）：主设备发送数据

• MISO（主入从出）：从设备返回数据

• CS（片选）：选择通信的从设备

2. 什么是 SDNAND？

SDNAND 是一种结合了 SD 卡接口规范和 NAND 闪存技术的存储设备，相比传统 SD 卡：

• 体积更小（采用 LGA 封装）

• 读写速度更快

• 可靠性更高（内置 ECC 校验）

• 适合嵌入式系统使用

3. GD32F407 的 SPI 控制器特点

• 支持主 / 从模式

• 最高时钟频率可达 45MHz

• 支持 8/16 位数据帧

• 支持多种时钟极性和相位模式

• 提供 DMA 功能减轻 CPU 负担

二、硬件连接

1. 引脚分配

GD32F407 的 SPI1 默认引脚：

2. 电路设计注意事项

• 上拉电阻：WP# 和 HOLD# 引脚建议接 10KΩ 上拉电阻

• 去耦电容：VCC 与 GND 之间并联 100nF 陶瓷电容和 10μF 电解电容

• 信号走线：SPI 信号线尽量短，避免与高频信号交叉

• 电平匹配：确保 GD32F407 与 SDNAND 的电平兼容（通常都是 3.3V）

三、SPI 驱动程序实现

1. 初始化 SPI 控制器

首先需要配置 SPI 控制器的工作模式、时钟频率等参数：

#include "gd32f4xx.h"void spi_init(void){
    /* 使能GPIOA和SPI1时钟 */
    rcu_periph_clock_enable(RCU_GPIOA);
    rcu_periph_clock_enable(RCU_SPI1);
    
    /* 配置SPI1引脚: SCLK(PA5), MISO(PA6), MOSI(PA7) */
    gpio_af_set(GPIOA, GPIO_AF_5, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7);
    gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_AF, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7);
    gpio_output_options_set(GPIOA, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_5 | GPIO_PIN_6 | GPIO_PIN_7);
    
    /* 配置SPI1片选引脚(PA4)为推挽输出 */
    gpio_mode_set(GPIOA, GPIO_MODE_OUTPUT, GPIO_PUPD_NONE, GPIO_PIN_4);
    gpio_output_options_set(GPIOA, GPIO_OTYPE_PP, GPIO_OSPEED_50MHZ, GPIO_PIN_4);
    gpio_bit_set(GPIOA, GPIO_PIN_4);  // 默认拉高片选
    
    /* SPI1配置 */
    spi_parameter_struct spi_init_struct;
    spi_init_struct.trans_mode           = SPI_TRANSMODE_FULLDUPLEX;
    spi_init_struct.device_mode          = SPI_MASTER;
    spi_init_struct.frame_size           = SPI_FRAMESIZE_8BIT;
    spi_init_struct.clock_polarity_phase = SPI_CK_PL_LOW_PH_1EDGE;
    spi_init_struct.nss                  = SPI_NSS_SOFT;
    spi_init_struct.prescale             = SPI_PSC_32;  // 约1.4MHz (45MHz/32)
    spi_init_struct.endian               = SPI_ENDIAN_MSB;
    spi_init(SPI1, &spi_init_struct);
    
    /* 使能SPI1 */
    spi_enable(SPI1);}

2. SPI 数据传输函数

实现基本的 SPI 读写功能：

/* SPI发送一个字节并接收一个字节 */uint8_t spi_transfer_byte(uint8_t data){
    /* 等待发送缓冲区为空 */
    while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI1, SPI_FLAG_TBE));
    
    /* 发送数据 */
    spi_i2s_data_transmit(SPI1, data);
    
    /* 等待接收缓冲区非空 */
    while(RESET == spi_i2s_flag_get(SPI1, SPI_FLAG_RBNE));
    
    /* 返回接收到的数据 */
    return spi_i2s_data_receive(SPI1);}/* SPI发送数据 */void spi_send_data(uint8_t *data, uint32_t length){
    for(uint32_t i = 0; i < length; i++) {
        spi_transfer_byte(data[i]);
    }}/* SPI接收数据 */void spi_receive_data(uint8_t *data, uint32_t length){
    for(uint32_t i = 0; i < length; i++) {
        data[i] = spi_transfer_byte(0xFF);  // 发送dummy数据以产生时钟
    }}

3. SDNAND 基本操作函数

实现对 SDNAND 的基本命令操作：

/* 选中SDNAND */void sdnand_select(void){
    gpio_bit_reset(GPIOA, GPIO_PIN_4);  // 拉低片选}/* 取消选中SDNAND */void sdnand_deselect(void){
    gpio_bit_set(GPIOA, GPIO_PIN_4);  // 拉高片选}/* 发送SDNAND命令 */void sdnand_send_command(uint8_t cmd, uint32_t addr){
    sdnand_select();
    
    /* 发送命令 */
    spi_transfer_byte(cmd);
    
    /* 发送地址(根据命令不同可能是24位或32位地址) */
    spi_transfer_byte((addr >> 24) & 0xFF);
    spi_transfer_byte((addr >> 16) & 0xFF);
    spi_transfer_byte((addr >> 8) & 0xFF);
    spi_transfer_byte(addr & 0xFF);
    
    /* 发送CRC校验(通常忽略，发送0xFF) */
    spi_transfer_byte(0xFF);}/* 读取SDNAND状态寄存器 */uint8_t sdnand_read_status(void){
    uint8_t status;
    
    sdnand_select();
    
    /* 发送读取状态寄存器命令 */
    spi_transfer_byte(0x05);
    
    /* 读取状态 */
    status = spi_transfer_byte(0xFF);
    
    sdnand_deselect();
    
    return status;}/* 等待SDNAND就绪 */uint8_t sdnand_wait_ready(uint32_t timeout){
    uint32_t cnt = 0;
    uint8_t status;
    
    do {
        status = sdnand_read_status();
        if((status & 0x01) == 0)  // 检查BUSY位
            return 0;  // 就绪
        
        cnt++;
        if(cnt > timeout)
            return 1;  // 超时
    } while(1);}

四、SDNAND 读写操作实现

1. 读取数据

实现从 SDNAND 指定地址读取数据：

/* 从SDNAND读取数据 */uint8_t sdnand_read_data(uint32_t addr, uint8_t *buffer, uint32_t length){
    /* 等待设备就绪 */
    if(sdnand_wait_ready(10000))
        return 1;
    
    /* 发送读取命令(0x03 = 标准读取命令) */
    sdnand_send_command(0x03, addr);
    
    /* 读取数据 */
    spi_receive_data(buffer, length);
    
    sdnand_deselect();
    
    return 0;  // 成功}

2. 写入数据

实现向 SDNAND 指定地址写入数据：

/* 使能写操作 */void sdnand_write_enable(void){
    sdnand_select();
    
    /* 发送写使能命令 */
    spi_transfer_byte(0x06);
    
    sdnand_deselect();}/* 向SDNAND写入数据 */uint8_t sdnand_write_data(uint32_t addr, uint8_t *buffer, uint32_t length){
    /* 等待设备就绪 */
    if(sdnand_wait_ready(10000))
        return 1;
    
    /* 使能写操作 */
    sdnand_write_enable();
    
    /* 发送页编程命令(0x02) */
    sdnand_send_command(0x02, addr);
    
    /* 发送数据 */
    spi_send_data(buffer, length);
    
    sdnand_deselect();
    
    /* 等待写入完成 */
    return sdnand_wait_ready(10000);}

五、主程序示例

下面是一个简单的主程序示例，演示如何初始化并使用 SPI 接口与 SDNAND 通信：

#include "gd32f4xx.h"#include <stdio.h>/* 前面定义的SPI和SDNAND函数 */int main(void){
    uint8_t buffer[256];
    uint8_t status;
    
    /* 系统时钟配置 */
    SystemInit();
    
    /* 初始化SPI接口 */
    spi_init();
    
    /* 读取设备ID */
    sdnand_select();
    spi_transfer_byte(0x9F);  // 读取设备ID命令
    buffer[0] = spi_transfer_byte(0xFF);  // 制造商ID
    buffer[1] = spi_transfer_byte(0xFF);  // 设备ID
    sdnand_deselect();
    
    printf("Manufacturer ID: 0x%02X
", buffer[0]);
    printf("Device ID: 0x%02X
", buffer[1]);
    
    /* 测试写入数据 */
    for(int i = 0; i < 256; i++) {
        buffer[i] = i;
    }
    
    status = sdnand_write_data(0x000000, buffer, 256);
    if(status == 0) {
        printf("Write success!
");
    } else {
        printf("Write failed!
");
    }
    
    /* 测试读取数据 */
    status = sdnand_read_data(0x000000, buffer, 256);
    if(status == 0) {
        printf("Read success!
");
        
        /* 验证数据 */
        for(int i = 0; i < 256; i++) {
            if(buffer[i] != i) {
                printf("Data verify failed at position %d!
", i);
                break;
            }
        }
    } else {
        printf("Read failed!
");
    }
    
    while(1) {
        /* 主循环 */
    }}

六、调试与故障排除

1. 常见问题

• 通信失败：检查引脚连接是否正确，SPI 时钟极性和相位是否匹配

• 写入失败：确保在写入前发送了写使能命令，检查状态寄存器

• 数据错误：检查 SPI 时钟频率是否过高，考虑降低频率

• 设备无响应：检查电源和地连接，确认片选信号正常

2. 调试工具

• 逻辑分析仪：捕获 SPI 通信信号，分析时序和数据

• 示波器：检查时钟和数据信号的波形

• 调试输出：通过串口打印调试信息，跟踪程序执行流程

七、注意事项

1. 擦除操作：NAND 闪存写入前需要先擦除，通常擦除命令是 0xD8

2. 页大小：SDNAND 通常以页为单位进行读写，常见页大小为 2KB 或 4KB

3. 块大小：擦除操作通常以块为单位，常见块大小为 64KB 或 128KB

4. 坏块管理：SDNAND 内置 坏块管理算法，每次擦除NAND闪存时，都会检查每个块的健康状况，并更新坏块表‌。

5. ECC 校验：SDNAND 内置 ECC 校验，但应用层也应实现数据校验

通过以上步骤，你可以成功实现 GD32F407 与 SDNAND 的 SPI 接口通信。实际应用中，你可能还需要根据具体的 SDNAND 型号调整命令和参数。

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