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简介：这是一份使用STM32F103作为基于SPI的SD卡读卡器的工程示例，面向嵌入式入门开发者与单片机学习者，目标是在常见的Blue Pill开发板上通过SPI接口驱动Micro SD卡，并借助USB实现与电脑通信的读卡功能。工程在STM32 System Workbench下搭建和测试，源码基于HAL库组织，涵盖SPI、SD、TIM、USART及USB等外设驱动文件；附件同时给出简洁的接线说明，包括SD卡CS/SCK/MISO/MOSI对应PA4-PA7，以及USB D+需外接上拉电阻等关键细节，便于快速复现和移植。资源包整体组织清晰，压缩包共171个文件，以C源文件与头文件为主体，各有60个和96个，另含工程配置、链接脚本、启动汇编文件、说明文档等辅助内容，整体仅1.87MB。已有1188人学习下载，适合具备一定单片机基础、希望深入理解SPI协议与SD卡底层交互的开发者作为参考，也可作为课堂实验或DIY读卡器项目的起点。

1. 为什么用 STM32F103 给 SD 卡加一个 SPI 读卡器

一块 STM32F103 最小系统板、四根 SPI 线，再加一张 SD 卡，就能把单片机的存储空间扩展成以 GB 计的文件池。这在数据记录器、Bootloader、配置存储这些场景里几乎成了标配，主要原因倒不是因为 F103 性能多强，而是 SPI 协议简单到 GPIO 翻转就能模拟，SD 卡借助 SPI 模式又只需要 4 根线，比 SDIO 接口省掉一半以上的引脚和中断管理成本。标题里提到的“读卡器”，落到工程上其实是三个动作：让 SD 卡进入 SPI 模式、按扇区读写、再把文件系统挂到这些扇区上。

下面把这条链路完整拆一遍，从 F103 的 SPI 外设配置开始，走完 CMD0 到 ACMD41 的初始化，最后做一个能用串口命令读扇区的读卡器。新手按步骤能在最小系统板上跑通，老手也能对照着检查时钟分频和片选时序这些容易出问题的边界。

2. STM32F103 的 SPI 硬件配置与接线模型

2.1 SPI 模式下的 SD 卡接线：CS、SCK、MOSI、MISO 怎么接

SPI 模式下 SD 卡对外暴露的只有 4 根信号线外加电源地。CS 对应卡座的片选，SCK、MOSI、MISO 分别接卡座的 5、6、2、7 脚。这里最容易犯的错是把卡座的引脚号和信号名记反，初始化时 CMD0 会一直返回 0xFF，因为数据根本没有进到卡里。以 F103 的 SPI1 为例，常见接法用 PA5 做 SCK、PA6 做 MISO、PA7 做 MOSI、PA4 做软件片选，这个组合能直接照搬到绝大多数 F103 最小系统板上。

电源和电平是另一个容易忽略的点。SD 卡需要 2.7V 到 3.6V 供电，和 F103 的 3.3V IO 正好匹配，但不能直接从 5V 引脚取电，要经过板上的 3.3V 稳压器。卡座的 VSS 要单独走地线，别和 SPI 信号线缠在同一条杜邦线束里。SCK、MOSI、CS 三条从 MCU 到卡座的线上串 22 到 33 欧姆电阻，能明显减少时钟边沿的过冲，杜邦线长度超过 10 cm 时这个做法尤其有效。

2.2 软件片选与硬件片选：SD 卡为什么不建议用 SPI 的 NSS 自动拉低

片选有两种做法。硬件片选由 SPI 外设的 NSS 引脚自动控制，在每帧数据传输前自动拉低；软件片选则把 CS 当普通 GPIO，在操作前手动拉低、结束再拉高。SD 卡在 SPI 模式下对 CS 的要求比较特殊：读一个扇区时，从发送 CMD17 到读完 512 字节数据令牌，CS 必须一直保持低电平，中间不能出现高电平脉冲。硬件 NSS 的自动翻转是按帧为单位控的，做不到这种跨多帧的连续片选，所以实际项目里基本都用软件片选。

F103 的 SPI1 默认 NSS 功能也在 PA4 上，用软件片选时要注意别把 PA4 配置成复用功能。

2.3 CUBEMX 参数怎么设：CPOL、CPHA、预分频与 NSS 模式

SD 卡 SPI 模式支持 mode 0 和 mode 3，CUBEMX 里默认的 mode 0 就能用。参数设置大致是：Mode 选 Full-Duplex Master，Data Size 选 8 Bits，CPOL 选 Low，CPHA 选 1 Edge，NSS 选 Software，BaudRatePrescaler 初始化阶段选 32。按 F103 的 APB2 时钟 72 MHz 计算，预分频 32 得到 2.25 MHz 的 SCK，这是 SD 卡上电初始化阶段的安全值。

HAL 初始化代码对应如下：

hspi1.Instance = SPI1; hspi1.Init.Mode = SPI_MODE_MASTER; hspi1.Init.Direction = SPI_DIRECTION_2LINES; hspi1.Init.DataSize = SPI_DATASIZE_8BIT; hspi1.Init.CLKPolarity = SPI_POLARITY_LOW; hspi1.Init.CLKPhase = SPI_PHASE_1EDGE; hspi1.Init.NSS = SPI_NSS_SOFT; hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_32; hspi1.Init.FirstBit = SPI_FIRSTBIT_MSB; HAL_SPI_Init(&hspi1);

代码里每个字段都能在 CUBEMX 界面上找到对应项。CPOL 为 Low 表示 SCK 空闲为低电平，CPHA 为 1 Edge 表示在第一个边沿采样，两者组合就是 SPI mode 0。NSS 必须选 Software，因为片选的拉低拉高时机由我们自己控制。

如果你还在用 STM32F103 标准外设库 v3.5.0，也就是网上很多老工程里 stm32f103 库 v3.50 的版本，对应写法是 SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low、SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge、SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_32，初始化之后还要补一句 SPI_Cmd(SPI1, ENABLE)。两种方式时钟相位完全等价，区别只在 HAL 对外设时钟的管理更隐蔽。

注意 BaudRatePrescaler 不是定死不变的。SD 卡初始化完成后可以把分频从 32 切到 8 甚至 4，让 SCK 从 2.25 MHz 升到 9 MHz 或 18 MHz。F103 的 SPI1 最高只能到 18 MHz，分频 4 已经是上限，不要尝试用 2 分频跑 36 MHz，SCK 波形会严重变形。切换时机放在 SD_InitCard 返回成功之后、第一次挂载文件系统之前。

3. SPI 协议下 SD 卡初始化：CMD0 到 ACMD41 的完整时序

3.1 上电后为什么必须给 74 个时钟脉冲

SD 卡只有在 CS 高电平状态下收到足够多的 SCK 时钟，才会进入 SPI 模式。这是数据手册明确写的门槛，规范要求至少 74 个时钟，常见做法是发 80 个，也就是 10 个 0xFF 字节。这 80 个时钟有两个作用：一是让卡内部的供电检测逻辑完成上电判定，二是让卡在切到 SPI 模式前先看到完整的时钟序列。

static void SD_PowerUp(void) { uint8_t i; SD_CS_HIGH(); // 先保持 CS 高，让卡不选中 for (i = 0; i < 10; i++) { // 10 字节等于 80 个 SCK SD_SPI_Byte(0xFF); } }

这段代码必须放在所有命令之前。CS 在上电阶段必须是高电平，如果上电时 CS 被拉低，卡会把后续时钟当作 SD 模式处理，CMD0 就不会进入 SPI 模式分支。

3.2 命令帧结构与 R1、R3、R7 响应怎么读

每条命令是 6 个字节：第一个字节是 0x40 和命令号的位或，中间四个字节是参数，最后一个字节是 CRC7。SPI 模式下 CRC 检查默认关闭，但 CMD0 和 CMD8 必须填正确 CRC，因为部分卡在初始化阶段强制校验这两个命令。后面 CMD55、ACMD41 的 CRC 字节填 0x01 即可。

R1 是一个字节，最高位为 0 表示命令被接受；0x01 表示卡处于空闲状态，0x00 表示初始化完成。CMD8 返回的是 R7，前一个字节是 R1，后面跟 4 字节，低 12 位应该回显 0x1AA。CMD58 返回 R3，后面 4 字节里 bit30 是 CCS 位，CCS=1 代表 SDHC/SDXC 的块寻址，CCS=0 代表 SDSC 的字节寻址。

3.3 初始化代码与 v1.x、v2.0 的分支

uint8_t SD_SendCommand(uint8_t cmd, uint32_t arg, uint8_t crc) { uint8_t frame[6], resp; frame[0] = 0x40 | cmd; frame[1] = (arg >> 24) & 0xFF; frame[2] = (arg >> 16) & 0xFF; frame[3] = (arg >> 8) & 0xFF; frame[4] = arg & 0xFF; frame[5] = crc; SD_SPI_Transmit(frame, 6); resp = SD_SPI_Byte(0xFF); // 丢弃卡从接收到响应的填充 for (int i = 0; i < 8; i++) { resp = SD_SPI_Byte(0xFF); if ((resp & 0x80) == 0) break; // 最高位为 0 才是有效 R1 } return resp; }

逻辑上要注意发送完 6 字节后，卡需要几个时钟周期才把 R1 放到 MISO 上，所以先读一个无效字节，再在后续字节里找最高位为 0 的响应。循环上限是 8 次读取，覆盖大多数卡的响应延迟。

uint8_t SD_InitCard(void) { uint8_t r; SD_PowerUp(); r = SD_SendCommand(0, 0x00000000, 0x95); // CMD0 if (r != 0x01) return 1; r = SD_SendCommand(8, 0x000001AA, 0x87); // CMD8 if (r == 0x01) { for (int i = 0; i < 4; i++) SD_SPI_Byte(0xFF); // 丢弃 R7 的 4 字节 do { SD_SendCommand(55, 0x00000000, 0x01); // CMD55 r = SD_SendCommand(41, 0x40000000, 0x01); // ACMD41，HCS=1 } while (r == 0x01); // 初始化未完成，继续轮询 if (r != 0x00) return 2; r = SD_SendCommand(58, 0x00000000, 0x01); // CMD58 读 OCR if (r != 0x00) return 3; uint32_t ocr = 0; for (int i = 0; i < 4; i++) ocr = (ocr << 8) | SD_SPI_Byte(0xFF); card_capacity = (ocr & 0x40000000) ? 1 : 0; // CCS 位 } else { // 老卡不支持 CMD8，走 SD v1.x 流程 do { SD_SendCommand(55, 0x00000000, 0x01); r = SD_SendCommand(41, 0x00000000, 0x01); // HCS 必须为 0 } while (r == 0x01); if (r != 0x00) return 4; card_capacity = 0; // v1.x 按字节寻址 } return 0; }

这段代码里隐藏了一个常见坑：CMD8 返回 0x01 说明是 SD v2.0 及以上卡，ACMD41 参数必须带 HCS=1，也就是 0x40000000；如果 CMD8 返回 0x00 或者没有响应，说明是 SD v1.x，ACMD41 的 HCS 必须为 0，否则卡永远不握手成功。CMD58 读回来的 OCR 如果 bit30 为 1，后面访问扇区时传入的就是块编号而不是字节地址。

4. 读卡器应用：扇区读写与 FatFS 挂载

4.1 用 CMD17 读一个扇区的完整流程

初始化完成后卡进入数据传输状态。读单块用 CMD17，参数是 32 位地址；SDHC/SDXC 卡直接填扇区号，SDSC 卡要把字节地址除以 512。发送 CMD17 后，R1 返回 0x00，之后卡会输出 0xFE 数据起始令牌，接着是 512 字节数据，最后 2 字节 CRC 在 SPI 模式下可以不校验。

uint8_t SD_ReadSector(uint32_t lba, uint8_t *buf) { uint8_t r, token; r = SD_SendCommand(17, lba, 0x01); if (r != 0x00) return 1; for (int i = 0; i < 500; i++) { token = SD_SPI_Byte(0xFF); if (token == 0xFE) break; } if (token != 0xFE) return 2; for (int i = 0; i < 512; i++) buf[i] = SD_SPI_Byte(0xFF); SD_SPI_Byte(0xFF); // CRC 高字节 SD_SPI_Byte(0xFF); // CRC 低字节 return 0; }

关键在等待令牌的循环。卡收到 CMD17 后，内部闪存读取需要时间，期间 MISO 输出 0xFF，直到数据准备好才输出 0xFE。如果 500 次轮询都没等到 0xFE，先降时钟再重试，多半不是卡坏了，而是 SCK 太快。

4.2 FatFS 的磁盘 IO 层：disk_initialize、disk_read、disk_write 怎么填

只操作裸扇区还不够，读卡器最终要暴露文件系统。FatFS 是这套方案里最常见的文件系统实现，网上搜 fatfs 文件系统 sd 卡 stm32 能找到大量例程。FatFS 需要的底层接口有 disk_initialize、disk_status、disk_read、disk_write 和 disk_ioctl，其中关键的是读写两个。

DRESULT disk_read(BYTE pdrv, BYTE *buf, LBA_t sector, UINT count) { while (count--) { if (SD_ReadSector(sector++, buf) != 0) return RES_ERROR; buf += 512; } return RES_OK; } DRESULT disk_write(BYTE pdrv, const BYTE *buf, LBA_t sector, UINT count) { while (count--) { if (SD_WriteSector(sector++, (uint8_t*)buf) != 0) return RES_ERROR; buf += 512; } return RES_OK; }

写扇区用 CMD24，和读的差异在令牌顺序：发送 CMD24 后先等 R1=0x00，再连续发 0xFE、512 字节、2 个 0xFF，最后读卡的状态响应字节。这个状态字节有几种情况，写的时候要按返回值判断：

ffconf.h 里要把 FF_USE_MKFS 打开，才能用 f_mkfs 格式化空卡；64GB 的卡出厂可能是 exFAT 格式，F103 要识别它就打开 FF_FS_EXFAT 支持。注意 FatFS 默认按 512 字节一扇区访问，如果你的卡设置过非标准扇区大小，必须先发 CMD16 改回 512。

4.3 用 UART 做一个极简扇区读卡器

调试或者配合上位机使用时，不用把 USB 协议栈搬进来。常见做法是走串口命令，把 F103 变成一台能响应扇区读写的读卡器。协议设计成 8 字节请求头，上位机发完请求后等数据回包，适合在串口助手里直接调试。

typedef struct { uint8_t head0; // 0xA5 uint8_t head1; // 0x5A uint8_t cmd; // 0x10 读扇区，0x20 写扇区 uint8_t lba[4]; // 小端 LBA uint8_t chk; // 校验和 } SDCARD_REQ; void UART_RxHandler(uint8_t *p) { uint32_t lba; if (p[0] != 0xA5 || p[1] != 0x5A) return; lba = p[3] | (p[4] << 8) | (p[5] << 16) | ((uint32_t)p[6] << 24); if (p[2] == 0x10) { uint8_t buf[512]; SD_ReadSector(lba, buf); UART_Send(buf, 512); uint32_t crc = CRC32_Calc(buf, 512); UART_Send((uint8_t*)&crc, 4); } }

两条关键约束。第一，115200 波特率下传 512 字节要 45 ms 左右，而 SPI 读一扇区只要几毫秒，速度差接近一个数量级，所以 UART 发送要做成中断或 DMA，不能阻塞在 SPI 读卡之后。第二，中断优先级要分清楚，SPI 中断优先级调高、UART 接收优先级调低，否则上位机连续发包时会出现丢字节。

5. 验证与排错：时钟分频、写保护与长线干扰

5.1 时钟分频从 2.25 MHz 切到 18 MHz 的正确时刻

初始化阶段用预分频 32 是为了兼容老卡和长走线。ACMD41 返回 0x00 之后，卡已经完成内部上电流程，这时才可以把预分频从 32 改到 4。改预分频先关 SPI、再改参数、再开 SPI：

__HAL_SPI_DISABLE(&hspi1); hspi1.Init.BaudRatePrescaler = SPI_BAUDRATEPRESCALER_4; HAL_SPI_Init(&hspi1); __HAL_SPI_ENABLE(&hspi1);

改完如果读扇区偶尔超时，把分频退回到 8，9 MHz 是一个取舍后的稳妥值。

5.2 卡没锁却报写保护怎么办

观察点落在 SD 卡状态区分上。很多卡座有机械写保护开关，但 F103 走 SPI 读卡时根本读不到那个开关，写保护状态是从卡内部状态寄存器返回的。写法是在 CMD24 前发 CMD13 读状态，返回值第二位为 1 才说明卡真的置了写保护位。另一个常见现象是写入返回 0x05 或 0x0D，这通常不是保护开关的问题，而是块长度没设置对，先发 CMD16 设为 512。

提示：如果卡之前在某台相机或电脑上被格式化成 exFAT，F103 端没有打开 FF_FS_EXFAT 时，f_mount 可能返回 FR_NO_FILESYSTEM，磁盘格式化和文件系统开关要放一起排查。

5.3 用逻辑分析仪抓 SPI 时序定位初始化失败

第一步抓 CS、SCK、MOSI 三个通道。观察 CS 低电平是否覆盖了 CMD0 的完整 6 字节，如果 CS 提前拉高，命令没发完；如果 CS 始终为低但 CMD0 返回 0xFF，检查 MOSI 是否真的接到卡座的 DI，以及卡座供电。第二步看在用 2.25 MHz 时的 SCK 周期是否符合预期，波形上升沿如果圆得像正弦波，说明信号线上过冲被压得太厉害，去掉串联电阻或用杜邦线单独走地。

提示：从 SDIO 例程移植到 SPI 读卡时，别把 disk_read 写成中断或 DMA 异步版本。SPI 读卡是严格的一问一答，保持同步阻塞最可靠，FatFS 的轮询机制本身就容忍扇区级阻塞。IO 引脚配置用推挽输出加不上拉也可以，但 MISO 那根线要配置成浮空输入，卡输出高阻时靠内部弱上拉兜底。

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