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NXP MCXN947测评之SDIO实践

发布于 2024-04-01 16:32:02 浏览：355 订阅该版

[tocm]

## 开箱
因为工作的原因，好久没有参加RTT的测评活动了，但是看到这款双核而且带NPU的MCU，而且出自大厂NXP，还是忍不住下手了，正好能作为自己入门AIoT的引子。不过那都是后话了，当务之急还是先完成测评，顺便熟悉熟悉这块板子。
板子整体来说是非常精致的，果然符合大厂的气质😀
![包装箱外观](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240401/f4d205191f2473afdf5b738e4713134b.jpg.webp)

![展示.jpg](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240401/76575aec839086adc64b8c8867ec76a5.jpg.webp)
# 前言说明
这次我选择的项目是SDIO，原因是前段时间正好在一个项目中反反复复和SD/TF卡打交道了好久，测评和各种各样的卡，功耗，读写等等。这次由于使用的是开发板，功耗就不好单独测了，主要从读写速度入手做些工作。
## 模块介绍
先来看看本次要测评的模块：

![board_block_diagram.png](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240401/a18910fc086cf3e55c9fc5d93906feb6.png.webp)
这个虚线框，难道是没有卡槽的意思吗？果然，拿到开发板后：
![卡槽位置.jpg](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240401/8fd7ed51234ef6b945989d4eccd91736.jpg.webp)
还好还有之前的卡槽存货，简单焊上一个完事，应该能用，不能用大不了回来再看。

![焊接完成.jpg](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240401/92f3291aad7143d0ce4e9b41a98c0ebf.jpg.webp)
实际上本次测评的虽然是SDIO，但是在官方资源描述是SDHC，在网上简单找了下资料：

| SD卡（Secure Digital Memory Card）  | Mini SD卡（Mini Secure Digital Memory Card）  |  SDHC卡（Secure Digital High Capacity） | SDXC卡(SD eXtended Capacity)  |
| ------------ | ----------- | ------------ | ------------ |
| SD是早先的版本的，据说是由MMC演变而来的。最大支持2GB大小容量。通过9针的接口界面与专门的驱动器相连接，SD接口除了保留MMC的7针外，还在两边加多了2针，作为数据线。SD卡的通信协议包括SD总线和SPI两类，通信电压范围：2.0-3.6V；工作电压范围:2.0-3.6V。SD卡的结构能保证数字文件传送的安全性，也很容易重新格式化，所以有着广泛的应用领域。 |miniSD卡是SD卡发展而来，性能和传统的SD卡并无大的区别，T-Flash卡：全名（TransFLash由），是一种超小型卡（11*15*1MM）。TF卡可经SD卡转换器后，当SD卡使用。  |SDHC是大容量SD卡，也就是SD High Capacity，支持最大32GB大小容量。SDHC，Secure Digital High Capacity，大容量SD，也就是说，超过2G的SD都叫SDHC，因为早期的SD使用的是FAT16文件系统，并不支持大容量，而SDHC升级为FAT32，才支持2G以上的大容量。  |SDXC除了容量可以升级为最大2T以外，主要是可以支持300M/s的传输速度，也就是说是“高速SD”卡。SDXC又是不可向下兼容的，不支持普通的SD和SDHC卡槽和读卡器。 |

## 软件开发
由于本开发板的SDIO驱动已经移植完毕了，所以本次测评不存在移植工作，只需要简单配置以下就好。需要用到的软件有：
1. Keil with MDK，官方推荐5.36及以上，本次我用的是5.38
2. scon

# 步骤说明
## 新建工程
1. 首先从RT Thread官当下载最新代码 https://github.com/RT-Thread/rt-thread/
2. 在源码目录.bsp\nxp\mcx\mcxn\frdm-mcxn947 的位置找到N947的工程，并在此打开scons
3. 执行 
```c
scons --dist --target=mdk5
```
生成初始工程

![new project.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240401/d56376686a1ba70e241bf1c9642aa114.png)
4. 此时位于dist目录中的工程就是专门为MCXN947生成的工程了，可以单独拷贝到任何目录，不依赖于当前源码目录。
5. 在新生成的工程目录中执行 
```c
pkgs --update
```
这一步的目的是从服务器拉取工程中用到但是尚未下载源码的包，如果没有这一步，直接在keil中编译会报错

![pkgs update.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240401/20f31602de655b770f3ba5a95b7196bb.png)
6. 新的工程就建好了，可以现在keil中编译，下载一下。

## 配置SDIO
接下来就是为本次验证的配置， 首先打开menuconfig工具，需要配置的有以下几项：
1. DFS 虚拟文件系统

![dfs.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240401/50501cbc12d258403d01f9f4be91e07e.png)
2. MMC/SD driver

![sd driver.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240401/6aaf8ce2eeb7075feb152b3d35862ee8.png)
3. SDIO 外设驱动

![SDIO driver.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240401/f1bbc1ab31c05d9a0d06a79c2b104285.png)

结束后退出并保存，注意这里要重新生成以下keil工程，否则keil里是没有刚刚新的配置的。

# 代码验证
使用Keil编译并下载Demo程序
## SD卡识别
Demo程序总已经自带了SD卡的挂载

```c
#ifdef RT_USING_SDIO
    rt_thread_mdelay(2000);
    if (dfs_mount("sd", "/", "elm", 0, NULL) == 0)
    {
        rt_kprintf("sd mounted to /\n");
    }
    else
    {
        rt_kprintf("sd mount to / failed\n");
    }
#endif
```
### 结果
所以很容易验证SD卡的挂载

![sd mount.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240401/6d07ca7e31b3d94cfb432a9e0bcb002f.png)
## 文件读写测试
### 代码实现
写一个文件读写的测试case，主要实现的功能有：
1. 在当前目录打开或新建一个名为“test.txt”的文件
2. 在文件中写入一段文字，关闭文件
3. 重新打开文件，并读取打印其中的文字

代码实现如下：

```c
#include <rtdevice.h>
#include "drv_pin.h"
#include "dfs_fs.h"

int rwTest(void)
{
    FILE *fout;
    char buf[32];
    const char test[] = "This is a test file";

rt_kprintf("This is SD card read&write test\r\n");

fout = fopen("test.txt", "wb");

if (fout == NULL) {
    printf("Failed to open file \"%s\"\n", "test.txt");
    exit(-1);
    }
    
    fwrite(test, 1, sizeof(test), fout);
    fclose(fout);

fout = fopen("test.txt", "r");

if (fout == NULL) {
    printf("Failed to open file \"%s\"\n", "test.txt");
    exit(-1);
    }

fread(buf, 1, sizeof(buf), fout);
    rt_kprintf("Read from file: %s \r\n", buf);
}

MSH_CMD_EXPORT(rwTest, rwTest);
```
### 测试结果

![rw.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240401/16faf008b7fe429125be96393f0a3e53.png)
使用ls命令查看文件，并使用cat命令查看文件内容：

![cat.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240401/ad54cc1ea50b101a627e2f282851b181.png)
## 读写速度测试

### 代码实现
对于读写速度测试，由于自己对RTOS的领悟还没有那么深刻，设计的方案可能不那么科学，如果有上面欠考虑的地方还请多多指教。
按照自己的理解设计了一个测试case，主体思路就是对512B - 64KB的读写速度进行测试，使用timer0记录时间。
代码如下：

```c
#include <rtdevice.h>
#include "drv_pin.h"
#include "dfs_fs.h"

void readWriteTest(int size)
{
    FILE *fout, *fin;
    void* buf;
    rt_device_t hw_dev;  
    rt_hwtimerval_t timeout_s;      /* 用于保存定时器经过时间 */

/* 查找定时器设备 */
    hw_dev = rt_device_find("timer0");
    rt_device_open(hw_dev, RT_DEVICE_OFLAG_RDWR);

/* 设置定时器超时值为10s并启动定时器 */
    timeout_s.sec = 10;      /* 秒 */
    timeout_s.usec = 0;     /* 微秒 */

fout = fopen("test.txt", "wb");
    buf = malloc(size);

rt_memset(buf, 0xff, size);

if (fout == NULL) {
    printf("Failed to open file \"%s\"\n", "test.txt");
    exit(-1);
    }
    
    if (rt_device_write(hw_dev, 0, &timeout_s, sizeof(timeout_s)) != sizeof(timeout_s))
    {
        rt_kprintf("set timeout value failed\n");
        return;
    }
    fwrite(buf, 1, size, fout);
    fclose(fout);
    rt_device_read(hw_dev, 0, &timeout_s, sizeof(timeout_s));

rt_kprintf("%d Byte write test, time cost: Sec = %d, Usec = %d\n", size, timeout_s.sec,timeout_s.usec);

fin = fopen("test.txt", "r");

if (rt_device_write(hw_dev, 0, &timeout_s, sizeof(timeout_s)) != sizeof(timeout_s))
    {
        rt_kprintf("set timeout value failed\n");
        return;
    }

fread(buf, 1, size, fin);
    fclose(fin);

rt_device_read(hw_dev, 0, &timeout_s, sizeof(timeout_s));
    rt_kprintf("%d Byte read test, time cost: Sec = %d, Usec = %d\n", size, timeout_s.sec,timeout_s.usec);

free(buf);
}
int speedTest(void)
{
    rt_kprintf("This is SD card speed test\r\n");

readWriteTest(512);
    readWriteTest(1024);
    readWriteTest(2048);
    readWriteTest(4096);
    readWriteTest(8192);
    readWriteTest(16384);
    readWriteTest(32768);
    readWriteTest(65536);
}

MSH_CMD_EXPORT(speedTest, speedTest);
```
### 测试结果
结果说实话还是很出乎我的意料的，自己也做了反复尝试
![sp.PNG](https://oss-club.rt-thread.org/uploads/20240401/05c353a5faaf96a8c59f5377dc88f3ef.png)
初步的结论是，4K以下的读写速率相差很小，可能是主要的时间消耗在了调用和系统调度。之前在另一块产品中，主频比这个单片机低很多，而且还是使用的SPI接口，但是写一个512的扇区也只需要6ms，而这里竟然需要15ms。好在随着我不断加大测试数据量，区别在大数据读写还是很大的。
### 一些思考
我觉得这个测试仍然存在一些疑点，目前我怀疑的有以下几个，如果有知道的大佬欢迎讨论，或者不知道我们一起学习也可以。
1. 4K以下读写或许和文件系统实现有一些关系
2. 也可能和SDIO的实现有关系
3. 或许我采用的计时方式并不准确，有一个很大的基准值叠加在了结果上面，导致实际观测的实际差不准确
其他的，欢迎大家补充讨论。
## 代码
所有的代码其实在文章中已经全部贴出来了，不过也给出仓库：https://gitee.com/yu-wang-yy/mcxn947-sdio

# 总结
总的来说，RTT在快速原型开发阶段无敌，在驱动完备的情况下，搭建一个属于自己的嵌入式系统的速度超过了我使用过的其他RTOS，对于专注于应用开发的工程师来说太具有吸引力。
这次测试对于SD卡读写还留了很多疑问，需要进一步学习研究，也欢迎大家的讨论。
对于开发板的学习，尤其是板载NPU的学习，还要继续下去，官方也出具了一个关于NPU的demo，值得一试。相信将来AI的发展一定不只局限于云端的大模型，对于这种边缘计算同样大有可为。