STM32F103（Bluepill）SPI SD卡中断写入失败及主循环异常求助

1. 中断服务函数内无法写入的核心原因 #

• FatFs的核心API（f_mount、f_open、f_close等）不支持在中断上下文调用，这类函数会修改全局文件系统状态，中断里执行会和主程序的操作产生竞态条件，直接破坏文件系统一致性，导致写入失败。
• 中断服务函数要求执行周期极短（远小于10ms），但SD卡的SPI读写、文件系统操作是阻塞式的，会大幅拉长中断响应时间，导致系统其他功能异常，甚至触发硬件看门狗复位。

2. main循环写入异常的原因 #

• 数据采集和写入的时序不匹配：中断每10ms产生一组数据，但main循环如果没有及时读取缓存的采集数据，新数据会覆盖旧数据，导致丢失；同时如果写入操作耗时超过10ms，会错过多组数据，最终记录的数据量不足。
• 每次写入都重复执行f_mount、f_open、f_close：这些操作开销极大（尤其是SD卡初始化和文件打开/关闭），频繁执行会导致写入速度跟不上采集速度，同时反复打开关闭文件可能导致文件系统缓存未及时刷新，出现重复写入的脏数据。

步骤1：采用「中断采集+主循环写入」的异步架构 #

• 中断服务函数只做最轻量化的操作：采集4个28bit数值，拼接成字符串后存入环形缓冲区，立即退出中断。
• 主循环专注于从环形缓冲区读取数据，批量写入SD卡，避免频繁的文件操作。

步骤2：优化文件操作逻辑 #

• 仅在系统初始化时执行一次f_mount，不要每次写入都挂载。
• 系统启动时打开目标文件（f_open），保持文件句柄一直打开，直到系统停止或需要切换文件时再执行f_close。
• 每次写入前无需调用f_lseek，文件以FA_WRITE打开后，写入指针会自动指向文件末尾；若需确认位置，可偶尔用f_size校验，但无需每次执行。

步骤3：实现线程安全的环形缓冲区 #

• 用原子操作或关闭中断的方式保护读写指针，避免中断和主程序同时操作缓冲区导致数据错乱。
• 缓冲区大小至少能存储100组数据（对应1秒采集量），避免主循环写入延迟时数据溢出。

优化后的代码示例 #

1. 全局变量定义 #

#define BUFFER_SIZE 128  // 可根据实际调整环形缓冲区大小
FIL fil;
FATFS fs;
char data_buffer[BUFFER_SIZE][64];  // 假设每组数据字符串最长64字节
uint8_t buf_write_ptr = 0;
uint8_t buf_read_ptr = 0;
volatile uint8_t buf_has_data = 0;  // 标记缓冲区是否有未处理数据

2. 中断服务函数 #

void EXTIx_IRQHandler(void) {
    if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Linex) != RESET) {
        // 采集4个28bit数值
        uint32_t val1 = get_sensor_data(1);
        uint32_t val2 = get_sensor_data(2);
        uint32_t val3 = get_sensor_data(3);
        uint32_t val4 = get_sensor_data(4);
        
        // 拼接成字符串
        snprintf(data_buffer[buf_write_ptr], 64, "%lu,%lu,%lu,%lu\r\n", val1, val2, val3, val4);
        
        // 原子操作更新环形缓冲区写指针
        __disable_irq();
        buf_write_ptr = (buf_write_ptr + 1) % BUFFER_SIZE;
        buf_has_data = 1;
        __enable_irq();
        
        EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Linex);
    }
}

3. main循环中的写入逻辑 #

int main(void) {
    // 系统初始化：GPIO、SPI、EXTI、UART等
    SystemInit();
    HAL_Init();
    init_sensors();
    init_spi_sdcard();
    init_exti_interrupt();
    
    // 初始化FatFs
    FRESULT res = f_mount(&fs, "", 0);
    if(res != FR_OK) {
        // 挂载失败，处理错误（如点亮错误LED）
        while(1);
    }
    
    // 打开文件并保持句柄打开
    res = f_open(&fil, "data.txt", FA_OPEN_ALWAYS | FA_WRITE);
    if(res != FR_OK) {
        // 打开失败，处理错误
        while(1);
    }
    // 将写入指针移到文件末尾
    f_lseek(&fil, fil.fsize);
    
    while(1) {
        if(buf_has_data) {
            __disable_irq();
            // 读取缓冲区数据
            char* write_data = data_buffer[buf_read_ptr];
            buf_read_ptr = (buf_read_ptr + 1) % BUFFER_SIZE;
            // 检查缓冲区是否为空
            if(buf_read_ptr == buf_write_ptr) {
                buf_has_data = 0;
            }
            __enable_irq();
            
            // 写入SD卡
            UINT bw;
            res = f_write(&fil, write_data, strlen(write_data), &bw);
            if(res != FR_OK) {
                // 写入失败，处理错误
            }
            
            // 定期刷新缓存（每写入10组数据刷新一次，避免掉电丢失）
            static uint8_t write_count = 0;
            if(++write_count >= 10) {
                f_sync(&fil);
                write_count = 0;
            }
        }
        
        // 主循环可处理其他低优先级任务
        // ...
    }
    
    // 程序结束时关闭文件（实际项目可通过按键触发）
    f_close(&fil);
    f_mount(NULL, "", 0);
}

额外注意事项 #

• 合理设置SPI总线时钟：STM32F103的SPI最高可达18MHz，但SD卡兼容性可能要求初始化为低频率（如400kHz），初始化完成后再切换到高频率。
• 确保SD卡写保护关闭，硬件连接正确（尤其是CS引脚的电平控制）。
• 若系统有看门狗，需保证主循环写入操作不会导致看门狗超时，必要时在循环中喂狗。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Mr. Black