利用TF卡進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試及存儲應(yīng)用的方案

硬件平臺基于應(yīng)用處理器PXA310，軟件平臺基于嵌入式Linux的Android操作系統(tǒng)。首先介紹了TF卡與應(yīng)用處理器的連接電路設(shè)計。然后介紹TF卡驅(qū)動程序的設(shè)計和Android對TF卡的掛載方法。在TF卡驅(qū)動程序設(shè)計中采用了SPI工作模式和FAT32文件系統(tǒng)，描述了FAT32文件系統(tǒng)的移植。最后介紹了系統(tǒng)調(diào)試，并展示了TF卡在視頻數(shù)據(jù)采集單元中應(yīng)用的設(shè)計結(jié)果。

嵌入式系統(tǒng)調(diào)試一般使用串口、JTAG、USB或網(wǎng)卡來下載系統(tǒng)鏡像到目標(biāo)機(jī)中。使用串口下載鏡像，協(xié)議簡單，接口通用，但傳輸速率太慢。使用JTAG下載鏡像，傳輸速率較高，但需要專用的JTAG調(diào)試器，價格較高，限制了調(diào)試環(huán)境。使用USB或網(wǎng)卡下載鏡像速度快、接口通用，但一般做成產(chǎn)品后的嵌入式設(shè)備不需要留出通用的USB或以太網(wǎng)接口，從而增加了設(shè)計的復(fù)雜性和開發(fā)成本。在移動嵌入式產(chǎn)品開發(fā)過程中，如果使用TransFlash(TF)卡代替USB或以太網(wǎng)口，由于TF卡一般又都是移動嵌入式產(chǎn)品的必要構(gòu)成部分，這樣做一般可以減小嵌入式系統(tǒng)調(diào)試的復(fù)雜性和成本。本文提出使用TF卡更新鏡像的方法，并在實際的嵌入式系統(tǒng)調(diào)試中成功應(yīng)用。使用TF卡下載系統(tǒng)鏡像，速度與通用性都很好，既省去了調(diào)試中對其他下載設(shè)備的設(shè)計需求，又解決了最終產(chǎn)品大容量存儲器的設(shè)計問題。

1 TransFIash卡與應(yīng)用處理器的連接電路設(shè)計

本文調(diào)試的嵌入式系統(tǒng)，是一種視頻數(shù)據(jù)采集與傳輸單元，以PXA310為中央處理器，采集到的視頻數(shù)據(jù)由PXA310進(jìn)行壓縮編碼處理，之后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中去，供用戶查看。系統(tǒng)調(diào)試過程中，視頻數(shù)據(jù)可以存儲到TF卡中。

TF卡模塊在系統(tǒng)中主要有兩個方面的作用：

一是在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試過程中用于將系統(tǒng)鏡像到目標(biāo)版；二是作為最終嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品的大容量存儲器。

SD卡有兩個可選的通信協(xié)議：SD模式和SPI模式。SD模式是SD卡標(biāo)準(zhǔn)的讀寫方式，但要求主控制器帶有SD卡控制器。PXA310本身沒有TF卡控制器接口，選用SD模式通信就無形中增加了產(chǎn)品的硬件成本，選擇SPI模式可以說是一種最佳的解決方案，相對于SD模式，SPI模式接口與協(xié)議簡單、易于操作。這時TF卡在PXA3 10 MMC／SD／SDIO主控制器控制下工作。

2 Blob中TF卡的驅(qū)動設(shè)計以及FAT32文件系統(tǒng)移植2．1 設(shè)計TF卡SPI模式驅(qū)動

TF卡操作遵循SD卡協(xié)議，TF卡的操作完全與SD卡相同。相對于SD模式，SPI模式接口與協(xié)議簡單、易于操作。PXA310帶有MMC／SD／SDIO主控制器，但由于Blob中沒有提供SD卡與主控制器的具體驅(qū)動，實現(xiàn)完整驅(qū)動的難度較大，故本文采用GPIO口模擬的SPI模式讀寫TF卡，運(yùn)行到Linux內(nèi)核后再加載主控制器驅(qū)動運(yùn)行SD模式的方式，性能與實現(xiàn)難度都可兼顧。

SPI模式TF卡總線采用主從問答式協(xié)議。主機(jī)發(fā)送命令Command，TF卡應(yīng)答回復(fù)Response。SD卡命令有兩種，CMDx和ACMDx。ACMD是應(yīng)用指令集，屬于擴(kuò)展指令集，在發(fā)送任何的ACMD之前，必須先發(fā)送CMD55激活，才可以使用ACMD指令集。發(fā)送完一個ACMD，并且卡響應(yīng)了此指令之后，CMD55的作用就消失了，所以要發(fā)送多個或多次發(fā)送一個ACMD，需要循環(huán)發(fā)送CMD55+ACMD。

2．2 SPI模式初始化TF卡流程

TF卡默認(rèn)的通信模式是SD模式，本文要在SPI模式下設(shè)計TF卡驅(qū)動，需要從SD模式切換到SPI。為此，先將TF卡上電，延時74個時鐘周期后發(fā)送復(fù)位命令CMD0，同時將SD卡的CS片選信號置低，若此時接收到應(yīng)答信號為0x01，說明TF卡進(jìn)入了SPI模式。

TF卡與MMC卡都可用SPI模式驅(qū)動，故在初始化時可考慮與MMC卡的兼容性。在發(fā)送CMD0成功接收到應(yīng)答信號后，連續(xù)發(fā)送CMD55+ACMD41，若CMD55回復(fù)0x01而ACMD41回復(fù)0x00，則TF卡初始化成功。若沒有完整的應(yīng)答，則改發(fā)CMD1，若CMD1成功回復(fù)0x00，則MMC卡初始化成功。

在SPI模式下，TF卡的初始化時鐘頻率不能超過400 kHz。初始化成功后，就可以配置高速時鐘下TF卡的讀寫操作了。圖2為TF卡初始化流程圖。

在Blob中完成TF卡初始化，還需要初始化PXA310的GPIO口，并根據(jù)對應(yīng)TF卡的引腳配置其輸入輸出關(guān)系。

在Blob中，PXA3 10的PXA_SD_D2、PXA_SD_D3、PXA_SD_CMD、PXA_SD_CLK、PXA_SD_D0、PXA_SD_D1這幾個I／O口并沒設(shè)置為GPIO口，不能在軟件上進(jìn)行讀寫操作，要使用SPI模式，必須將這幾個IO口設(shè)置為GPIO。通過在MFP寄存器中配置IO口的功能號，再配置相應(yīng)參數(shù)即可實現(xiàn)。

2．3 通過SPI讀寫TF卡的程序設(shè)計

TF卡的讀寫以塊為單位，初始化完成后，使用CMD16設(shè)置SD卡讀寫塊長度(512 B)，發(fā)送CMD17和CMD24讀單塊寫單塊，發(fā)送CMD18和CMD25讀多塊和寫多塊。實現(xiàn)TF驅(qū)動層中讀寫函數(shù)的邏輯流程如圖3所示。

2．4 FAT32文件系統(tǒng)移植

在文中，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)移植主要包括系統(tǒng)初始化和文件管理程序修改(主要是文件讀取)。FAT32的初始化就是找到各個部分的起始扇區(qū)位置。首先查找MBR的分區(qū)表，獲取分區(qū)信息，然后找到每個分區(qū)的DBR，再根據(jù)DBR中的BPB得到分區(qū)的起始扇區(qū)、結(jié)束扇區(qū)、文件系統(tǒng)類型、FAT表個數(shù)、每簇占用扇區(qū)數(shù)等信息。最后根據(jù)下面的算法得到文件分配表FAT、文件目錄表FDT和數(shù)據(jù)區(qū)DATA的起始扇區(qū)。FAT32讀取文件流程如圖4所示。

2．5 設(shè)計Blob命令下載系統(tǒng)鏡像

Blob啟動之后，首先初始化一些基本的硬件設(shè)備如串口等，然后檢測系統(tǒng)內(nèi)存映射，設(shè)置CPU運(yùn)行頻率等一些參數(shù)，接著就進(jìn)入了命令行模式。

在Blob中提供tfdownload命令，主函數(shù)的形參就是接收到的命令內(nèi)容和參數(shù)。若參數(shù)為“init”，則調(diào)用TF卡驅(qū)動的初始化，否則將此參數(shù)作為文件名傳給FAT32文件系統(tǒng)打開并讀取文件內(nèi)容。最終實現(xiàn)“tfdownloadinit”調(diào)用TF卡驅(qū)動初始化TF卡。使用“tfdownload”+文件名可以調(diào)用FAT32文件系統(tǒng)和TF卡的驅(qū)動下載該文件名的鏡像到內(nèi)存中。

2．6 MakeFile文件修改與交叉編譯

(1)TF卡驅(qū)動與FAT32文件系統(tǒng)編譯

按照Blob中驅(qū)動程序的結(jié)構(gòu)，TF卡驅(qū)動與FAT32文件系統(tǒng)源文件保存在／SRC／blob／Platform／Common／Source目錄下，而FAT32文件系統(tǒng)頭文件在／src／blob／Platform／Common／include目錄下，要在編譯Blob的時候?qū)⑻砑拥尿?qū)動一起編譯，需要更改相應(yīng)的Makefile。

在／src／blob／Platform／Source下有三個Makefile文件，分別是Makefile．a(chǎn)m，Makefile和Makefile．in，修改Makefile．a(chǎn)m即可，Makefile和Makefile．in會自動修改。主要增加Makefile的頭文件尋找目錄和編譯文件。

(2)Blob命令編譯

src／commands下的命令編譯由同目錄的Makefile確定，同樣需要修改Makefile使添加的命令編譯到Blob中去。另外，要使該命令在Blob中生效，還需要修改Blob的configure．in文件，在configure．in中添加：blob_commands=“$blob_commands，tfdownload”；。

(3)編譯Blob

linux-2．6．25中集成了Blob，用linux-2．6．25的工具鏈編譯好之后，在…／pxalinux／MHN-LINUX-PLATFORM／rel／target／bin中，boot_nontrust．bin就是生成的Blob鏡像。

2．7 系統(tǒng)鏡像下載的實現(xiàn)

先用tfdownload init命令初始化TF卡驅(qū)動，然后使用tfdownload下載系統(tǒng)鏡像到內(nèi)存中，再使用Nandwrite命令寫入NandFlash中。

3 Android下掛載TF卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲

在Android系統(tǒng)中使用TF卡做儲存器，必須先將TF卡掛載到Android上。要啟用void，需要在Android啟動配置文件init．rc中關(guān)閉mountd并開啟void服務(wù)。通過對配置文件init．rc進(jìn)行下面的修改完成此項功能。

servICe void／system／bin／void ／／vold服務(wù)開啟socket void stream 0660 root mount

……

#service mountd／system／bin／mountd／／mountd服務(wù)關(guān)閉(被注釋了)#socket mountd stream 0660 root mount

void．conf文件是void程序掛載設(shè)備的配置文件，里面記載了掛載設(shè)備的設(shè)備路徑、設(shè)備類型以及掛載的目標(biāo)位置(掛載點(diǎn))。需要在該文件中加入TF卡的掛載信息，然后，將void．conf加入到system／etc目錄下，void程序就可以直接讀取該配置文件了。

FAT32屬于Windows分區(qū)，因為Windows分區(qū)里面的文件是沒有權(quán)限這個概念的，所以在Linux系統(tǒng)中使用此分區(qū)時要手動指定默認(rèn)權(quán)限。掛載TF卡之后Android的／sdcard目錄不能直接通過chmod命令來修改對于system組的讀寫權(quán)限，在system下是無法直接訪問TF卡的，需要在掛載的時候添加權(quán)限。在void中，真實掛載TF卡的操作如下：

rc=mount(deVpath，vol->mount_point，“vfat”，flags，“utf8，uid=1000，gid=1000，F(xiàn)Mask=711，DMAsk=700，shortname=mix ed”)；其中uid代表屬主，uid=1 000代表system用戶，fmask和dmask分別對應(yīng)文件和目錄的權(quán)限8進(jìn)制碼的反碼。

4 設(shè)計結(jié)果展示

本文調(diào)試的數(shù)據(jù)采集與傳輸單元實物如圖5所示，TF卡位于PCB板右上角。使用該單元錄制視頻并保存在TF卡中，設(shè)定錄制時間為30 s，30 s后關(guān)閉，取出TF卡，將TF卡與PC