STM32高频写入MicroSD卡出现FR_DISK_ERR问题求助

AI 小北

2026-6-1

高频SD卡写入问题：STM32三缓冲区方案FR_DISK_ERR崩溃与优化

问题背景

基于MicroPeta指南实现STM32向MicroSD卡写入TXT文件，当前可正常运行，目标实现10kHz写入频率，用于CAN网络传感器数据的边缘场景测试，通过TXT保存百微秒级时间戳做可视化调试。
初始采用双乒乓缓冲区+定时器中断方案，成功生成1分钟、8MB的记录文件，但存在少量丢数，推测是缓冲区切换时SD卡写入阻塞导致。
尝试添加第三个缓冲区解决丢数问题，却出现随机FR_DISK_ERR错误导致程序崩溃。

核心代码（CubeIDE开发）

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "fatfs.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include <string.h>
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */
typedef struct tim{
    uint8_t day;//1-31
    uint8_t month;//1-12
    uint8_t year;//since 1900
    uint8_t hour;//0-23
    uint8_t minute;//0-59
    uint8_t second;//0-59
    uint16_t millis;//0-999
    uint8_t micro100;//0-9
}Datetime;
/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
#define BUF_SIZE 2048
/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
SPI_HandleTypeDef hspi1;
DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_rx;
DMA_HandleTypeDef hdma_spi1_tx;

TIM_HandleTypeDef htim2;

/* USER CODE BEGIN PV */
//SD
FATFS fs;
FIL fil;
FRESULT res;
UINT bw;

//Timer
char time[15];
Datetime now;
uint32_t lastSyncTime;

//Write Control
uint8_t writing = 0;
uint16_t sync_counter = 0;
uint8_t arrayA[BUF_SIZE], arrayB[BUF_SIZE], arrayC[BUF_SIZE];
uint8_t* bufferPool[3] = {arrayA, arrayB, arrayC};
uint8_t* currentArray = arrayA;
volatile uint8_t fillIdx = 0; 
volatile uint8_t saveIdx = 0; 
volatile uint8_t buffersReady = 0;
uint16_t array_index = 0;
/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_DMA_Init(void);
static void MX_SPI1_Init(void);
static void MX_TIM2_Init(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */
uint8_t TimToStr(char* iso8601, Datetime time);
void TimInit();
/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{

  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_DMA_Init();
  MX_SPI1_Init();
  MX_FATFS_Init();
  MX_TIM2_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  TimInit();
  HAL_Delay(500);
  res = f_mount(&fs, "", 1);
  res = f_open(&fil, "timer_test10.txt", FA_OPEN_ALWAYS | FA_WRITE | FA_READ);
  res = f_lseek(&fil, fil.fsize);
  f_puts("HEADER: Same test as 07, but now we use a 2048 buffer size.\n", &fil);

  HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
      if(writing){
          if (HAL_SPI_GetState(&hspi1) == HAL_SPI_STATE_READY) {
              writing = 0;

          }
      }


      if(buffersReady>0 && !writing){
          res = f_write(&fil, bufferPool[saveIdx], BUF_SIZE, &bw);
          if(res!= FR_OK){
              break;
          }
          saveIdx = (saveIdx + 1) % 3;
          buffersReady--;
      }

      if (HAL_GetTick() - lastSyncTime > 5000 && !writing) { // sync every 5 seconds
          f_sync(&fil);
          lastSyncTime = HAL_GetTick();
      }
  }
  /* USER CODE END 3 */
}



/* USER CODE BEGIN 4 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
    if(htim->Instance == TIM2){ //10kHz
        now.micro100++;
        if(now.micro100>9){
            now.millis++;
            now.micro100 = 0;
        }
        if(now.millis>999){
            now.second++;
            now.millis = 0;
        }
        if(now.second>59){
            now.minute++;
            now.second = 0;
        }
        if(now.minute>59){
            now.hour++;
            now.minute=0;
        }
        uint8_t len = TimToStr(time, now);

        if(array_index+len >= BUF_SIZE){
            fillIdx = (fillIdx + 1) % 3; // Move to next buffer in the circle
            currentArray = bufferPool[fillIdx];
            array_index = 0;
            buffersReady++;
        }
        memcpy((currentArray+array_index),time,len);
        array_index+=len;
    }
}
uint8_t TimToStr(char* iso8601, Datetime time){//00:00:00.0000
    iso8601[0] = time.hour/10 + '0';
    iso8601[1] = time.hour%10 + '0';
    iso8601[2] = ':';
    iso8601[3] = time.minute/10 + '0';
    iso8601[4] = time.minute%10 + '0';
    iso8601[5] = ':';
    iso8601[6] = time.second/10 + '0';
    iso8601[7] = time.second%10 + '0';
    iso8601[8] = '.';
    iso8601[9] = time.millis/100 + '0';
    iso8601[10] = (time.millis%100)/10 + '0';
    iso8601[11] = time.millis%10 + '0';
    iso8601[12] = time.micro100 + '0';
    iso8601[13] = '\n';
    iso8601[14] = '\0';
    return 15;
}
void TimInit(){
    now.micro100 = 0;
    now.millis = 0;
    now.second = 0;
    now.minute = 0;
    now.hour = 0;
}
/* USER CODE END 4 */

补充配置说明

SPI配置：72MHz系统时钟下最高18MB/s传输速度
SD卡扇区大小设置为4096
定时器中断频率10kHz
缓冲区大小固定为2048（其他大小无法正常运行）
尝试过DMA传输但未取得明显效果

解决方案与优化建议

1. 修复共享变量竞态问题

当前代码中buffersReady、fillIdx、saveIdx等变量在定时器中断和主循环中同时读写，未做互斥保护，这是导致随机FR_DISK_ERR的核心原因。修复方法：

访问共享变量时使用临界区保护，关闭/开启中断：

// 主循环中处理缓冲区写入
if(!writing){
    __disable_irq();
    uint8_t ready_count = buffersReady;
    __enable_irq();

    if(ready_count > 0){
        __disable_irq();
        uint8_t write_idx = saveIdx;
        buffersReady--;
        saveIdx = (saveIdx + 1) % 3;
        __enable_irq();

        res = f_write(&fil, bufferPool[write_idx], BUF_SIZE, &bw);
        if(res != FR_OK){
            // 错误处理，比如重启文件系统或记录错误
        }
        // 检查实际写入字节数
        if(bw != BUF_SIZE){
            // 处理部分写入情况
        }
    }
}

中断中修改buffersReady时，也需确保原子性，可使用MCU的原子操作指令（如__atomic_add_fetch）。

2. 限制缓冲区待写数量

当三个缓冲区全部被填满时，中断继续写入会覆盖未保存的数据，导致索引混乱。在中断中添加缓冲区满判断：

if(array_index+len >= BUF_SIZE){
    __disable_irq();
    if(buffersReady < 2){ // 三缓冲最多允许2个待写缓冲区，留1个供当前填充
        fillIdx = (fillIdx + 1) % 3;
        currentArray = bufferPool[fillIdx];
        array_index = 0;
        buffersReady++;
    } else {
        // 缓冲区已满，可添加丢数计数或LED提示
    }
    __enable_irq();
}

3. FatFS配置优化

确保FatFS配置中_MAX_SS设置为4096，与SD卡实际扇区大小匹配，避免扇区对齐错误。
开启_USE_WRITE和_USE_FASTSEEK选项，提升写入和定位效率。
避免频繁调用f_sync，可延长同步间隔至10秒以上，减少SD卡写入阻塞。

4. 高频写入替代方案

若TXT格式无法满足10kHz写入需求，可尝试以下方案：

二进制格式写入：将时间戳转为二进制数据（如4字节毫秒+1字节百微秒），每条数据仅5字节，相比TXT的15字节，写入数据量减少2/3，大幅降低SD卡负载。
裸扇区写入：跳过FatFS，直接操作SD卡扇区，将缓冲区数据按4096字节对齐后写入，避免文件系统开销，但需自行管理文件结构和扇区分配。
DMA+中断优化：确保SPI传输使用DMA，在DMA完成中断中标记写入完成，替代主循环轮询，提升响应速度。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者arcanorum

STM32高频写入MicroSD卡出现FR_DISK_ERR问题求助

问题背景 #

核心代码（CubeIDE开发） #

补充配置说明 #

解决方案与优化建议 #

1. 修复共享变量竞态问题 #

2. 限制缓冲区待写数量 #

3. FatFS配置优化 #

4. 高频写入替代方案 #