大容量輔助存儲系統(tǒng)的設計
摘要：串行SPI通信協(xié)議是一種標準的通信協(xié)議。本文首先簡要介紹了SPI總線模式,然后闡述了單片機在SPI協(xié)議下與SD卡硬件接口電路,以及軟件模擬的SPI總線數(shù)據(jù)傳輸,最后給出了具體實現(xiàn)SD卡的初始化、FAT32文件系統(tǒng)的管理和寫操作的軟件流程。
0 引言
SD卡英文全稱為Secure DIGITAL Memory Card，其以FLASH Memory為存儲體，具備體積 小、容量大、功耗低、可擦寫以及非易失性等特點，在需要長時間地采集、記錄海量數(shù)據(jù)時， 以SD卡作為存儲媒質(zhì)是一種很好的選擇。
1 系統(tǒng)硬件設計
1.1 SPI總線
SPI是一種串行總線接口，主要通過三根線進行數(shù)據(jù)傳輸：同步時鐘線SCK，主/從機輸 出線MISO、主/從機輸入線MOSI，還有一條低電平有效的從機片選線CS。SPI系統(tǒng)的片選信號 以及同步時鐘脈沖由主機提供。SPI模式通過四條線就可以完成所有的數(shù)據(jù)交換，傳輸協(xié)議 簡單，采用SPI模式對SD卡進行讀寫操作可大大簡化硬件電路的設計。 SPI消息由指令、回應和數(shù)據(jù)塊組成，所有的操作均由主設備控制。
SPI接口有0、1、2 和 3共四種操作模式。SPI操作模式?jīng)Q定了設備接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時的時鐘相位和極性，即決定了 時鐘信號的上升和下降沿與數(shù)據(jù)流動方向之間的關系，如圖1所示。本設計采用模式3。
1.2 硬件電路設計
MCU采用的是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機AT89S51，內(nèi)含4K字節(jié)的可 反復擦寫的ROM存儲器和128字節(jié)的RAM存儲器。由于SD卡的數(shù)據(jù)寫入是以塊為單位，每塊為 512字節(jié)，所以在單片機最小系統(tǒng)上增加一片RAM。本系統(tǒng)中RAM選用存儲器芯片AT24C64，容 量為64K位。
對于不帶SPI串行總線接口的單片機來說，可以使用軟件來模擬SPI的操作，包括串行時 鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出。對于不同的串行接口外圍芯片，它們的時鐘時序是不同的。對于 在SCK的上升沿輸入（接收）數(shù)據(jù)和在下降沿輸出（發(fā)送）數(shù)據(jù)的器件，一般應將其串行時 鐘輸出口P1.1的初始狀態(tài)設置為1，而在允許接口后再置P1.1為0。這樣，MCU在輸出1位SCK 時鐘的同時，將使接口芯片串行左移，從而輸出1位數(shù)據(jù)至單片機的P1.3口（模擬MCU的MISO 線），此后再置P1.1為1，使單片機從P1.0（模擬MCU的MOSI線）輸出1位數(shù)據(jù)（先為高位）至 串行接口芯片。至此，模擬1位數(shù)據(jù)輸入輸出便宣告完成。此后再置P1.1為0，模擬下1位數(shù) 據(jù)的輸入輸出……，依此循環(huán)8次，即可完成1次通過SPI總線傳輸8位數(shù)據(jù)的操作。對于在SCK 的下降沿輸入數(shù)據(jù)和上升沿輸出數(shù)據(jù)的器件，則應取串行時鐘輸出的初始狀態(tài)為0，即在接 口芯片允許時，先置P1.1為1，以便外圍接口芯片輸出1位數(shù)據(jù)（MCU接收1位數(shù)據(jù)），之后再 置時鐘為0，使外圍接口芯片接收1位數(shù)據(jù)（MCU發(fā)送1位數(shù)據(jù)），從而完成1位數(shù)據(jù)的傳送。
為解決電平匹配問題，在MCU和SD卡數(shù)據(jù)傳輸之間加了光電耦合器，其抗干擾性能和隔 離性能比較好，由它構成的邏輯電路更可靠。硬件電路連接如圖2所示。
2 系統(tǒng)軟件設計
2.1 SD卡初始化
在SD卡上電復位后，SD卡控制器在向SD卡發(fā)送任何命令之前，應向SD卡發(fā)送至少74個時 鐘周期，以等待SD卡完成上電復位過程，而且此時控制器應將片選信號線置高。在上電復位 完成后，將片選信號線CS置低，即選中SD卡，且發(fā)送軟件復位指令(CMD0)，SD卡即可進入SPI 模式，并且處于空閑狀態(tài)。若要對SD卡實現(xiàn)讀寫操作，單片機應持續(xù)發(fā)送激活指令CMD1，直 到收到SD卡正確的響應數(shù)據(jù)0x00，表明SD卡已經(jīng)退出空閑狀態(tài)，可以對SD卡寄存器進行讀／ 寫以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸操作。
2.2 FAT32文件系統(tǒng)
FAT32文件系統(tǒng)突破了磁盤管理空間2G的界限，能夠管理更大的磁盤空間。SD卡上的 FAT32文件系統(tǒng)的結(jié)構包含分區(qū)引導記錄、文件分配表、文件目錄表以及數(shù)據(jù)區(qū)4個部分。
分區(qū)引導記錄保存著與文件分配表系統(tǒng)有關的基本輸入、輸出系統(tǒng)參數(shù)分配表(biosparameter block，BPB)。它主要記錄文件分配表各個部分的起始扇區(qū)以及占用扇區(qū)的數(shù)目， 根目錄大小和簇的大小等重要信息。 在分區(qū)引導記錄之后是FAT（File Allocation Table，文件分配表）區(qū)。FAT32的文件 系統(tǒng)中有兩份完全相同的文件分配表FATl和FAT2，每份FAT表占用空間的大小可從BIOS參數(shù) 記錄塊中查得。
文件分配表的作用是記錄磁盤上簇的分配情況。一個文件一般需要占用很多 簇。同一個文件不一定會完整地存放在一個連續(xù)存儲空間內(nèi)，而是分成若干段，像鏈子一樣 的存放。在文件名記錄中，首先指向文件存儲的鏈頭所在文件分配表簇，而該簇的文件分配 表存放下一個鏈子的文件分配表簇值，如果是文件結(jié)尾，使用一個文件結(jié)束標志，表示到達 鏈尾，這樣就標識了文件的鏈式存儲，F(xiàn)AT表就是記錄文件存儲中簇與簇之間連接信息的。
緊接在FAT表之后的是文件目錄表FDT，占32個扇區(qū)，每個扇區(qū)可以容納16個登記項，每 個登記項的長度是32字節(jié)。文件目錄表記錄文件的名稱，通過目錄表查找已存在的文件名， 從而找到指定的文件進行操作。每個文件對應一個描述其屬性的結(jié)構，定義如表1。
文件目錄項結(jié)構實現(xiàn)如下：
Struc direntry
{
Unsigned char fName[8];
Unsigned char fExtension[3];
Unsigned char fAttributes;
Unsigned char fLowerCase;
Unsigned char fCHundredth;
Unsigned char fCTime[2];
Unsigned char fCDate[2];
Unsigned char fADate[2];
Unsigned char fHighClust[2];
Unsigned char fMTime[2];
Unsigned char fMDate[2];
Unsigned char fLowCluster[2];
Unsigned char fFileSize[4];
}
文件目錄表之后就是數(shù)據(jù)區(qū)DATA，用來存放文件數(shù)據(jù)，占用大部分的磁盤空間。數(shù)據(jù)的 讀寫以扇區(qū)為單位，一個簇所包含的扇區(qū)數(shù)由BPB參數(shù)來決定，通過根目錄找到對應的文件 名，格式化完成或進行寫操作時，就要新建對應文件名的文件分配表區(qū)和根目錄區(qū)，通過文 件分配表區(qū)中的保存的簇號，完成對應的數(shù)據(jù)讀寫，完成一個簇的操作后，根據(jù)文件分配表 的鏈式結(jié)構，找到文件的待操作的下一個簇的簇號，進行相應的操作，直到文件結(jié)束。
2.3 數(shù)據(jù)塊的寫操作
完成SD卡的初始化之后即可進行它的讀寫操作。SD卡的讀寫操作都是通過發(fā)送SD卡命令 完成的。SPI總線模式支持單塊（CMD24）和多塊（CMD25）寫操作。單塊寫操作的數(shù)據(jù)塊長 度只能是512字節(jié)。單塊寫入時，命令為CMD24，當應答為0時說明可以寫入數(shù)據(jù)。SD卡對每 個發(fā)送給自己的數(shù)據(jù)塊都通過一個應答命令確認，它為1個字節(jié)長，當?shù)?位為00101時，表 明數(shù)據(jù)塊被正確寫入SD卡。多塊寫是單塊連續(xù)寫的循環(huán)操作，只是寫單塊和寫多塊開始時的 令牌包有所不同，多塊操作是從指定位置開始寫下去，直到SD卡收到一個停止命令CMD12時 才停止。多塊數(shù)據(jù)寫時序如圖3所示。
3 結(jié)束語
通過對SPI模式下SD卡寫操作和文件系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了單片機對SD卡FAT32文件的操 作，包括文件的創(chuàng)建、寫操作等。該課題研究在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方面有著廣泛的應用前景，項 目實施以來直接經(jīng)濟效益20萬元。本文創(chuàng)新點：為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種非易失性存儲的 解決方案，采集到的大量數(shù)據(jù)會以標準數(shù)據(jù)文件的格式記錄到SD卡上。
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