SD Card + FatFs 구현 — SPI/SDIO 모드·CSD/CID·Wear
#한 줄 요약
“SD card는 SPI 모드면 어디든 동작합니다. SDIO는 빠르지만 핀이 많고 까다롭습니다.” 위에 FatFs를 얹으면 PC의 FAT32와 호환.
#어떤 상황에서 쓰나
데이터 로거 (전력, 환경, vehicle), camera image storage, audio recorder, firmware update via SD, configuration file storage — 대용량 영구 저장이 필요할 때. PC와 직접 file 교환이 가능한 점이 큰 장점.
이 글은 SD card SPI 모드와 SDIO 모드 init을 다루고, FatFs (open-source FAT filesystem)를 통합합니다.
#핵심 개념
#SPI 모드 vs SDIO 모드
| 측면 | SPI | SDIO 1-bit | SDIO 4-bit |
|---|---|---|---|
| Wire | 4 | 3 | 6 |
| Speed | ~25 MHz | ~25 MHz | ~50 MHz × 4 = 200 Mbps |
| MCU 요구사항 | 모든 STM32 | SDIO 전용 peripheral | 동상 |
| Code 복잡도 | 단순 | 보통 | 복잡 |
대부분의 application은 SPI로 충분. 오디오·video 같은 throughput-critical은 SDIO 4-bit.
#SD card init sequence
- Power-up wait (74 clock cycles, CS high)
CMD0 (GO_IDLE_STATE)→ R1 =0x01CMD8 (SEND_IF_COND)→ check voltage range- 응답
0x01: V2.0+ card - 응답
0x05: V1.x card
- 응답
- ACMD41 반복까지 R1 =
0x00(ready) CMD58 (READ_OCR)→ check CCS bit- CCS=1: SDHC/SDXC, block address
- CCS=0: SDSC, byte address
CMD16 (SET_BLOCKLEN)= 512 (SPI mode only)
각 단계마다 response timeout 처리. 안 그러면 missing card에서 hang.
#Block-level access
SD card는 512-byte block 단위 read/write가 표준. FAT filesystem이 위에서 cluster (4-32 KB) 단위로 관리.
CMD17 READ_SINGLE_BLOCKCMD18 READ_MULTIPLE_BLOCKCMD24 WRITE_BLOCKCMD25 WRITE_MULTIPLE_BLOCK#FatFs
ChaN의 FatFs (free, open-source)가 STM32·AVR·ARM 임베디드의 사실상 표준. diskio.c에 4개 함수만 구현하면 됨:
DSTATUS disk_initialize(BYTE pdrv);DSTATUS disk_status(BYTE pdrv);DRESULT disk_read(BYTE pdrv, BYTE *buff, LBA_t sector, UINT count);DRESULT disk_write(BYTE pdrv, const BYTE *buff, LBA_t sector, UINT count);DRESULT disk_ioctl(BYTE pdrv, BYTE cmd, void *buff);이 4개를 SD card driver에 연결하면 그 위에 모든 FatFs API가 동작.
#코드 예제
#1. SD SPI driver — 핵심 함수
#define CS_LOW() GPIOA->BSRR = (1u << (4+16))#define CS_HIGH() GPIOA->BSRR = (1u << 4)
uint8_t spi_xfer8(uint8_t tx); // 4-08 참고
static uint8_t sd_cmd(uint8_t cmd, uint32_t arg, uint8_t crc) { spi_xfer8(0xFF); spi_xfer8(0x40 | cmd); spi_xfer8(arg >> 24); spi_xfer8(arg >> 16); spi_xfer8(arg >> 8); spi_xfer8(arg); spi_xfer8(crc);
// R1 response (max 8 tries) uint8_t r; for (int i = 0; i < 10; i++) { r = spi_xfer8(0xFF); if ((r & 0x80) == 0) return r; } return 0xFF;}
int sd_init(void) { CS_HIGH(); spi_set_speed_low(); // 100-400 kHz for (int i = 0; i < 10; i++) spi_xfer8(0xFF); // 80 clock
CS_LOW(); if (sd_cmd(0, 0, 0x95) != 0x01) { CS_HIGH(); return -1; } // CMD0
uint8_t r = sd_cmd(8, 0x1AA, 0x87); int v2 = (r == 0x01); if (v2) { for (int i = 0; i < 4; i++) spi_xfer8(0xFF); // discard 32-bit echo }
// ACMD41 for (int t = 0; t < 1000; t++) { sd_cmd(55, 0, 0xFF); if (sd_cmd(41, v2 ? 0x40000000 : 0, 0xFF) == 0x00) break; delay_ms(10); }
// CMD58 → CCS bit int sdhc = 0; if (sd_cmd(58, 0, 0xFF) == 0x00) { uint32_t ocr = (spi_xfer8(0xFF) << 24) | (spi_xfer8(0xFF) << 16) | (spi_xfer8(0xFF) << 8) | spi_xfer8(0xFF); sdhc = (ocr & (1u << 30)) ? 1 : 0; }
if (!sdhc) sd_cmd(16, 512, 0xFF); // block size
CS_HIGH(); spi_set_speed_high(); // 10-25 MHz return sdhc ? 1 : 0;}#2. Block read/write
int sd_read_block(uint32_t lba, uint8_t *buf) { CS_LOW(); if (sd_cmd(17, lba, 0xFF) != 0x00) { CS_HIGH(); return -1; }
// wait data token 0xFE uint8_t r; for (int t = 0; t < 100000; t++) { r = spi_xfer8(0xFF); if (r == 0xFE) break; } if (r != 0xFE) { CS_HIGH(); return -2; }
for (int i = 0; i < 512; i++) buf[i] = spi_xfer8(0xFF); spi_xfer8(0xFF); spi_xfer8(0xFF); // CRC (ignored) CS_HIGH(); return 0;}
int sd_write_block(uint32_t lba, const uint8_t *buf) { CS_LOW(); if (sd_cmd(24, lba, 0xFF) != 0x00) { CS_HIGH(); return -1; }
spi_xfer8(0xFF); spi_xfer8(0xFE); // data token for (int i = 0; i < 512; i++) spi_xfer8(buf[i]); spi_xfer8(0xFF); spi_xfer8(0xFF); // CRC
uint8_t r = spi_xfer8(0xFF); if ((r & 0x1F) != 0x05) { CS_HIGH(); return -2; } // not accepted
// wait busy while (spi_xfer8(0xFF) != 0xFF); CS_HIGH(); return 0;}#3. FatFs diskio.c
#include "diskio.h"
DSTATUS disk_initialize(BYTE pdrv) { return (sd_init() < 0) ? STA_NOINIT : 0;}
DSTATUS disk_status(BYTE pdrv) { return 0; }
DRESULT disk_read(BYTE pdrv, BYTE *buf, LBA_t lba, UINT n) { for (UINT i = 0; i < n; i++) { if (sd_read_block(lba + i, buf + i * 512) < 0) return RES_ERROR; } return RES_OK;}
DRESULT disk_write(BYTE pdrv, const BYTE *buf, LBA_t lba, UINT n) { for (UINT i = 0; i < n; i++) { if (sd_write_block(lba + i, buf + i * 512) < 0) return RES_ERROR; } return RES_OK;}
DRESULT disk_ioctl(BYTE pdrv, BYTE cmd, void *buf) { switch (cmd) { case CTRL_SYNC: return RES_OK; case GET_SECTOR_SIZE: *(WORD *)buf = 512; return RES_OK; // 더 자세한 IOCTL은 FatFs docs 참고 } return RES_PARERR;}
DWORD get_fattime(void) { // RTC 연결되어 있으면 그 시간, 없으면 fixed return ((2026 - 1980) << 25) | (5 << 21) | (14 << 16);}#4. 사용 예 — 파일 write/read
#include "ff.h"
void demo(void) { FATFS fs; FIL fp; UINT bw, br; char line[64];
f_mount(&fs, "", 0);
// Write if (f_open(&fp, "log.txt", FA_CREATE_ALWAYS | FA_WRITE) == FR_OK) { f_write(&fp, "Hello, SD!\n", 11, &bw); f_close(&fp); }
// Read if (f_open(&fp, "log.txt", FA_READ) == FR_OK) { f_read(&fp, line, sizeof(line) - 1, &br); line[br] = 0; printf("Read: %s", line); f_close(&fp); }}#5. Long filename 활성화
ffconf.h:
#define FF_USE_LFN 1 // 0=off, 1=static, 2=stack, 3=heap#define FF_MAX_LFN 255#define FF_LFN_UNICODE 0 // 0=ANSI/OEM, 1=UTF-16, 2=UTF-8long filename은 각 file에 LFN entry 추가로 SRAM·flash 사용량 증가. 작은 MCU는 short filename 8.3으로 충분한 경우 많음.
#측정 / 동작 확인
PC에 SD card 꽂아 FAT32 format. STM32에서 write 후 PC에 다시 꽂으면 file이 보여야 함.
$ ls /Volumes/SDlog.txt
$ cat /Volumes/SD/log.txtHello, SD!write speed 측정:
uint32_t t = millis();char buf[512];for (int i = 0; i < 1000; i++) { UINT bw; f_write(&fp, buf, 512, &bw);}f_sync(&fp);printf("Write 500 KB: %lu ms\n", millis() - t);SPI mode 25 MHz: ~2 MB/s, SDIO 4-bit: ~10-15 MB/s.
#자주 보는 함정
⚠️ SD card init speed 너무 높음
CMD0 단계는 100-400 kHz만 허용. 25 MHz로 시도하면 init fail.
⚠️ Block address vs byte address
SDSC (≤ 2 GB)는 byte address, SDHC/SDXC는 block (512 byte) address. CCS bit 확인 필수.
⚠️ Long ACMD41 wait
card 따라 init에 ~500 ms 걸림. timeout 짧으면 card not ready. 1-2초 timeout.
⚠️ MMC card
옛 MMC는 SD와 SPI command 일부 다름. 요즘은 거의 없지만 발견하면 다른 init 시퀀스.
⚠️ FatFs FA_OPEN_APPEND를 매번 호출
매 write에 open/close 반복하면 각 close에 metadata write → wear-out 가속. 가능하면 한 번 open 후 여러 번 write, periodic f_sync().
⚠️ Power-loss에 file corruption
write 중 power-off → FAT metadata 깨짐. journaling이 필요하면 FatFs는 부족, LittleFS 같은 wear-leveling FS 고려.
#정리
- SD card는 SPI 모드로 모든 MCU에서 동작. SDIO는 더 빠름.
- Init sequence: 100-400 kHz로 CMD0 → CMD8 → ACMD41 → CMD58.
- FatFs diskio.c의 4개 함수만 구현하면 FAT32 호환.
- Block 512 byte 단위 read/write.
- Long filename은 메모리 소모, journaling 없음 — power-loss 주의.
다음 편은 RTC 활용입니다. battery backup, alarm, calendar, tamper detection을 다룹니다.
#관련 항목
Modern Embedded Recipes · 62 of 152
- 1Modern Embedded Recipes — 모던 임베디드 실전 레시피 시리즈 소개
- 2디지털 신호 기초 — Voltage Level·Edge·Setup/Hold 분석
- 3임베디드 클럭과 타이밍 — Skew·Jitter·PLL·MMCM 분석
- 4GPIO 내부 구조 분해 — Push-Pull·Open-Drain·Schmitt Trigger
- 5UART 하드웨어 동작 분석 — Baud Rate·Framing·FIFO
- 6SPI 하드웨어 분석 — Clock Mode·MOSI/MISO·Chip Select
- 7I2C 하드웨어 분석 — Open-Drain·Clock Stretching·Arbitration
- 8ADC 동작 원리 — SAR·Sigma-Delta·Pipelined 비교
- 9DAC 동작 원리 — R-2R Ladder·Sigma-Delta·Settling Time
- 10PWM 신호 생성 분석 — Duty·Frequency·Dead Time·Center-Aligned
- 11CAN 버스 전기적 특성 — Differential·Termination·Dominant/Recessive
- 12RS-485·RS-422 차동 신호 분석 — Termination·Biasing·Topology
- 13LVDS 차동 신호 분석 — Common-Mode·Impedance·Eye Pattern
- 14ARM Cortex-M 시리즈 비교 — M0·M3·M4·M7·M33·M55 분석
- 15ARM Cortex-A 시리즈 비교 — A53·A55·A72·A78·X1 분석
- 16ARM 레지스터 구조 분석 — R0~R15·CPSR·SPSR·Banked Registers
- 17Cortex-M 예외 처리 — Vector Table·NVIC·Tail-Chaining 추적
- 18ARM 메모리 맵 분석 — Normal·Device·Strongly-Ordered Region
- 19ARM L1·L2 캐시 분석 — Set Associative·Inclusive·Maintenance
- 20ARM MPU 활용 — Region·Attribute·Privilege Separation
- 21ARM MMU 기초 분석 — Translation Table·TLB·ASID
- 22ARM TrustZone-M 기초 — Secure/Non-Secure·NSC·MPC
- 23ARM Memory Barrier 실전 — DMB·DSB·ISB·DMA·MMIO
- 24임베디드 크로스 컴파일러 분석 — GCC·Clang·Sysroot 구성
- 25C 컴파일 4단계 — Preprocess·Compile·Assemble·Link 추적
- 26ELF 파일 구조 분석 — Section·Segment·Symbol Table·DWARF
- 27링커 스크립트 기초 — SECTIONS·MEMORY·entry point
- 28링커 스크립트 고급 — Overlay·BSS·init_array·LMA/VMA
- 29임베디드 스타트업 코드 분석 — Reset_Handler·Vector Table·SystemInit
- 30C 런타임 crt0 분석 — Stack·BSS Zero·Data Copy·atexit
- 31임베디드 메모리 레이아웃 — .text·.rodata·.data·.bss·.heap·.stack
- 32임베디드 컴파일러 최적화 분석 — -O0~-O3·-Os·-LTO 비교
- 33Map 파일 분석 — Symbol·Section·Size 추적으로 코드 크기 진단
- 34Make·CMake 크로스 컴파일 — Toolchain File·Sysroot 통합
- 35임베디드 Bootloader 체인 — BootROM·SPL·U-Boot·Kernel·Secure Boot
- 36첫 bare-metal 프로그램 작성 — Linker·Startup·main의 최소 구성
- 37MMIO 레지스터 직접 접근 — volatile·Memory Map·Aliasing 분석
- 38GPIO 드라이버 직접 구현 — STM32 HAL 없이 레지스터로
- 39임베디드 클럭 설정 분석 — HSE·PLL·SYSCLK·AHB/APB 분주
- 40Cortex-M 인터럽트 핸들링 — NVIC·Priority·Vector·EXTI
- 41SysTick 타이머 활용 — 24-bit Counter·1ms Tick·delay 구현
- 42UART 드라이버 구현 — polling·interrupt·DMA 3가지 방식 비교
- 43SPI 드라이버 구현 — Master·Slave·CRC·DMA
- 44I2C 드라이버 구현 — Master·7-bit/10-bit·Clock Stretching 처리
- 45임베디드 DMA 기초 — Memory-to-Memory·Peripheral·Circular Mode
- 46저전력 모드 분석 — Sleep·Stop·Standby·Wake-up Source
- 47IWDG·WWDG 워치독 구현 — Independent vs Window 비교
- 48임베디드 Flash 프로그래밍 — Erase·Program·Read While Write
- 49DDR 초기화 실패 진단 — Timing·Calibration·Walking Bit Test
- 50PWM 출력 실전 — LED 밝기·모터 속도 제어
- 51DC 모터 제어 — H-Bridge·PWM Duty·Encoder Feedback
- 52스테퍼 모터 제어 — Full Step·Half Step·Microstepping
- 53서보 모터 제어 — PWM 1ms~2ms·Closed Loop·PID
- 54Character LCD 제어 — HD44780·4-bit Mode·Custom Char
- 55SPI OLED 제어 — SSD1306·Frame Buffer·Page 단위 갱신
- 56TFT 디스플레이 구동 — RGB565·FSMC·LTDC·DMA2D
- 57환경 센서 활용 — BME280 온습압·SHT3x·BMP180 비교
- 58IMU 센서 활용 — MPU6050·LSM6DSO·Sensor Fusion
- 59CAN 통신 구현 — bxCAN·Filter·Mailbox·CAN-FD
- 60USB Device 기초 — Descriptor·Enumeration·Endpoint·HID/CDC
- 61Ethernet MAC+PHY 통합 — RMII·lwIP·DMA Descriptor
- 62SD Card + FatFs 구현 — SPI/SDIO 모드·CSD/CID·Wear
- 63RTC 활용 — Calendar·Alarm·Wake-up Timer·Backup Domain
- 64RTOS 도입 결정 분석 — Super Loop vs RTOS 트레이드오프
- 65RTOS Task 설계 패턴 — 우선순위·스택·State Machine
- 66RTOS Scheduler 동작 분석 — Tick·Context Switch·Yield
- 67RTOS Semaphore 활용 — Binary·Counting·ISR Give
- 68RTOS Mutex 활용 — Recursive·Priority Inheritance 적용
- 69RTOS Queue 활용 — By-Value·By-Reference·Timeout 패턴
- 70RTOS Event Group 활용 — Bit Wait·Sync·Notify
- 71RTOS Software Timer 활용 — One-shot·Auto-reload·Daemon Task
- 72ISR-Safe API 설계 — Reentrant·Atomic·Defer 패턴
- 73Priority Inversion 진단·예방 — Mars Pathfinder Lesson 추적
- 74Timer Wheel 분석 — Hashed·Hierarchical·O(1) Tick
- 75RTOS 디버깅 기법 — Tracealyzer·SystemView·Stack 추적
- 76임베디드 Linux 부팅 흐름 분석 — BootROM·U-Boot·Kernel·init
- 77U-Boot 활용 — bootcmd·env·tftp·boot.scr 분석
- 78Device Tree 실전 — DTS·DTB·Overlay·Phandle 추적
- 79Device Tree Overlay 적용 — Runtime fragment·dtoverlay
- 80임베디드 커널 빌드 — defconfig·menuconfig·Image·zImage
- 81커널 모듈 기초 — init/exit·Parameter·KBuild·DKMS
- 82캐릭터 드라이버 작성 — file_operations·cdev·register_chrdev
- 83Platform 드라이버 작성 — probe·remove·of_match·DT 바인딩
- 84mmap 4가지 모드 — Anonymous·File·Shared·Huge Page
- 85epoll 실전 — LT·ET·ONESHOT·EXCLUSIVE 비교
- 86UIO·VFIO 분석 — User-Space Driver와 IOMMU 격리
- 87sysfs·configfs 활용 — kobject 기반 User 인터페이스
- 88IRQ Affinity 튜닝 — smp_affinity·isolcpus·irqbalance
- 89루트 파일시스템 구축 — Buildroot 기초·Package·Toolchain
- 90임베디드 동적 메모리 — malloc 위험·결정성·대안 분석
- 91메모리 정렬과 패딩 분석 — Natural·Strict Alignment·Trap
- 92Cache Line Alignment — alignas·Padding·SoA 적용
- 93DMA-Friendly Allocator — dma_alloc_coherent·IOMMU·Pool
- 94Zero-Copy Pipeline — DMA-BUF·sendfile·io_uring·splice
- 95NUMA Memory Topology — numactl·numa_alloc·HBM 적용
- 96SIMD 활용 분석 — Intrinsics·Auto-Vectorization·OpenMP SIMD
- 97ARM NEON 심화 — Matrix Multiply·FFT·Image Filter 적용
- 98임베디드 스택 분석 — high-water·overflow 탐지
- 99임베디드 코드 크기 최적화 — -Os·LTO·Section Garbage Collection
- 100임베디드 전력 최적화 — Sleep Mode·Clock Gating·DVFS
- 101WCET 분석 기법 — Static·Measurement·Hybrid 방법론
- 102Lock-Free Ring Buffer 구현 — SPSC·Power-of-2·Memory Order
- 103Wait-Free Signaling — Atomic Flag·Sequence·Latest-Value
- 104RCU (Read-Copy-Update) 기초 — Quiescent State·Grace Period
- 105Hazard Pointer 분석 — Lock-Free Memory Reclamation
- 106Compare-And-Swap 패턴 — Stack·Counter·Linked List 적용
- 107Atomic Operation 비용 분석 — Fence·Cache Line·Contention
- 108Spinlock vs Mutex 결정 가이드 — Context Switch·Hold Time
- 109ABA 문제 회피 — Tagged Pointer·Hazard·Generation Counter
- 110False Sharing 해결 — Cache Line Padding·SoA 적용
- 111MPMC Queue 구현 — Multi-producer Multi-consumer Lock-Free
- 112임베디드 디버깅 마인드셋 — 가설·격리·재현·이분탐색
- 113JTAG·SWD 안 붙을 때 — 핀·전압·속도·세션 진단
- 114GDB 원격 디버깅 — OpenOCD·J-Link·target remote 구성
- 115Cortex-M 하드폴트 분석 — Stacked Frame·CFSR 읽기
- 116UART 안 찍힐 때 — Bare-metal 체크리스트
- 117임베디드 부팅 실패 진단 — 단계별 Isolation
- 118인터럽트 누락·중복 진단 — Priority·Pending·Re-entry 추적
- 119메모리 오버플로우·오염 진단 — Canary·MPU·Pattern 분석
- 120타이밍·Race 진단 — Heisenbug 잡는 법
- 121통신 프로토콜 분석 — Logic Analyzer와 Protocol Decoder
- 122임베디드 로깅 시스템 설계 — 레벨·버퍼·SWO·Deferred
- 123임베디드 포스트모템 분석 — Core Dump와 Field Crash
- 124FPGA 기초 분석 — LUT·FF·BRAM·DSP 자원 구조
- 125Vivado 사용법 — Project·Constraint·Synth·Impl·Bitstream
- 126PCIe BAR 매핑 분석 — Config Space·Enumeration·MMIO 접근
- 127AXI 인터페이스 — AXI4·AXI4-Lite·AXI-Stream 비교
- 128Zynq PS-PL 통신 — GP·HP·ACP 인터페이스 선택
- 129Mailbox Protocol 분석 — Host와 Accelerator를 잇는 Doorbell
- 130Command Queue·Submission Queue — NVMe·XDMA 공통 패턴
- 131DMA Completion 메커니즘 — Interrupt·Polling·Completion Ring
- 132PCIe Streaming 분석 — BAR Type·MSI-X·Kernel Bypass
- 133Vitis HLS 분석 — Pragma·Pipeline II·Dataflow 실전 감각
- 134HLS 최적화 기법 — Pipeline·Unroll·Partition·Dataflow
- 135Vitis AI 분석 — DPU·xmodel·VART
- 136OpenCL on FPGA — Kernel·Channel·Burst Memory 분석
- 137Intel Quartus 사용법 — Platform Designer·Nios II·HLS
- 138Edge Inference 분석 — Cloud vs Edge·Latency·Privacy
- 139NPU 아키텍처 분석 — Ethos·Hexagon·Systolic Array 비교
- 140딥러닝 Quantization 분석 — PTQ·QAT·INT8·INT4·Calibration
- 141TensorRT 분석 — ONNX→Engine·FP16·INT8·DLA·Multi-Stream
- 142TFLite Micro 분석 — Op Resolver·Tensor Arena·Cortex-M
- 143ONNX Runtime 분석 — Execution Provider와 Cross-Platform 배포
- 144Edge Thermal Management — Throttling·DVFS·Fan Curve·Sustained
- 145NVIDIA Jetson 분석 — Nano·Xavier·Orin·Thor·JetPack·DLA·VPI
- 146Zero-Copy Camera Pipeline — V4L2·DMA-BUF·GPU Import·NPU 직결
- 147온디바이스 LLM 추론 — llama.cpp·GGUF·MLX·KV Cache·NPU Backend
- 148Cortex-M33 TF-M·TrustZone — Secure Firmware·PSA·MCUboot
- 149Matter·Thread 분석 — IoT 통합 표준·Commissioning·Multi-Fabric
- 150PCIe → CXL 진화 — 같은 PHY 위 cache-coherent 프로토콜 추가
- 151QEMU CXL Type 3 디바이스 에뮬레이션 — 노트북에서 CXL 개발 환경 구축
- 152Linux CXL 드라이버 분석 — cxl_pci·cxl_core·region·DAX