基于MSP430和SD卡的FAT16文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

隨著Flash Memory等非易失存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，誕生了許多基于Flash存儲(chǔ)技術(shù)的非易失大容量閃爍存儲(chǔ)卡。其中SD卡以體積小、功耗低、口線少、操作方便等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于各種數(shù)碼產(chǎn)品中，如數(shù)碼相機(jī)、MP3等。SD卡同時(shí)也為低功耗、便攜式動(dòng)態(tài)心電監(jiān)護(hù)儀器的采集、存儲(chǔ)系統(tǒng)提供了理想的存儲(chǔ)介質(zhì)。本研究設(shè)計(jì)了一個(gè)基于MSP430系列單片機(jī)和SD卡的FAT16文件系統(tǒng)，該文件系統(tǒng)能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)以Windows標(biāo)準(zhǔn)文件的形式存儲(chǔ)在SD卡上，然后通過(guò)讀卡器方便地將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄓ糜?jì)算機(jī)上，進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理和分析。

1硬件功能原理及接口設(shè)計(jì)

SD卡的外形和接口如圖1所示。根據(jù)SD卡與主控制器的通信協(xié)議不同，SD卡對(duì)外提供兩種訪問(wèn)模式[1]：SD模式和SPI模式。所用通信模式不同，SD卡引腳的功能也不同，具體引腳功能如表1所示。在具體通信過(guò)程中，主機(jī)只能選擇其中一種通信模式，而且通信模式一旦選定，系統(tǒng)在通電情況下不能改變。SD模式下，主控制器使用SD總線訪問(wèn)SD卡，而通常的單片機(jī)沒(méi)有硬件SD總線，盡管可以借助通用口線用軟件仿真，但訪問(wèn)速度較低，還要占用大量CPU時(shí)間，而單片機(jī)多具有SPI總線，本文就利用SPI總線實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的訪問(wèn)。下面主要介紹SPI總線方式。

在SPI總線模式下，CS為主控制器向卡發(fā)送的片選信號(hào)，SCLK為主控制器向卡發(fā)送的時(shí)鐘信號(hào)，DI（DataIn）為主控制器向卡發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號(hào)，DO（DataOut）為卡向主控制器發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號(hào)。SD卡的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，SD卡內(nèi)部除了具有大量存儲(chǔ)單元外，還具有卡接口控制器、寄存器以及SD和SPI兩種模式的對(duì)外接口等。外部主控制器訪問(wèn)卡的接口控制器與存儲(chǔ)器單元接口相連。這樣主控制器并不直接訪問(wèn)存儲(chǔ)器，而是通過(guò)卡接口控制器根據(jù)主控制器的命令自動(dòng)處理完成，而主控制器無(wú)須知道卡內(nèi)是如何操作、管理存儲(chǔ)單元的，這將大大減輕主控制器對(duì)存儲(chǔ)器操作的負(fù)擔(dān)。SD卡內(nèi)部有6個(gè)信息寄存器，用來(lái)設(shè)置和保存操作卡的關(guān)鍵信息，有2個(gè)狀態(tài)寄存器，用來(lái)記錄操作卡的當(dāng)前狀態(tài)。

本設(shè)計(jì)中的主控制器采用MSP430F149單片機(jī)。MSP430系列16位低功耗單片機(jī)是一個(gè)具有強(qiáng)大處理能力的混合微處理器[2]，它具有強(qiáng)大的處理能力以及豐富的片內(nèi)外設(shè)。MSP430F149除能夠滿足數(shù)據(jù)采集功能外，還能很容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的訪問(wèn)。與SD卡系統(tǒng)相關(guān)的特性如下[3]：

(1) 采用16位的RISC結(jié)構(gòu)，有較高的處理速度，在8MHz晶體驅(qū)動(dòng)下，指令周期為125ns，即指令速度可達(dá)8MIPS，能夠滿足高速操作SD卡的功能要求。

(2)具有2個(gè)串行通信接口,可用于異步和同步（UART/SPI），可以直接和SD卡的SPI總線連接。

(3)具有6個(gè)8位并行端口，且2個(gè)8位端口具有中斷能力,能夠滿足口線的需求以及SPI中斷的要求。

(4) 片內(nèi)存儲(chǔ)器包括60KB的Flash和2KB的RAM,不需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器，就可以滿足對(duì)SD卡的訪問(wèn)。

(5) 3.3V的工作電壓，與SD卡工作電壓兼容。

(6) 時(shí)鐘系統(tǒng)更加完善，可以使用內(nèi)部時(shí)鐘，也可以使用外部時(shí)鐘，通過(guò)編程可以切換。

(7) 可實(shí)現(xiàn)通過(guò)JTAG接口的在線系統(tǒng)調(diào)試，方便系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。

MSP430系列單片機(jī)的SPI串行接口的主要特點(diǎn)如下[4]：支持3線或4線SPI操作；可選主模式與從模式；接收和發(fā)送有各自的寄存器，且接收和發(fā)送為雙緩存；移位時(shí)鐘的極性和相位可編程；主模式的時(shí)鐘頻率可控，SPI位傳輸速率可通過(guò)編程選擇；7位或8位字符長(zhǎng)度；有寫(xiě)沖突保護(hù)和總線競(jìng)爭(zhēng)保護(hù)。

對(duì)于MSP430的SPI系統(tǒng)，首先通過(guò)UxCTL控制寄存器配置USART模塊工作于SPI模式，然后再通過(guò)UxBR0和UxBR1波特率選擇控制寄存器來(lái)設(shè)置傳輸速率。SPI模式下，UBR最小的分頻因子是2，所以主機(jī)最大數(shù)據(jù)傳輸速率（b/s）是系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的1/2，因而最高可達(dá)4Mb/s。

主控制器MSP430F149與SD卡座的電路連接圖如圖3所示。除了SPI接口的連接外，還有一根控制線P5.0，用于檢測(cè)SD卡當(dāng)前是否設(shè)置寫(xiě)保護(hù)，寫(xiě)保護(hù)時(shí)該引腳為高電平，否則為低電平。

2 FAT16文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

要使寫(xiě)入SD卡的數(shù)據(jù)在Windows下訪問(wèn)，需要在SD卡上創(chuàng)建Windows支持的FAT16文件系統(tǒng)，SD卡上的FAT16文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包含分區(qū)引導(dǎo)記錄、文件分配表、文件目錄表及數(shù)據(jù)區(qū)4個(gè)部分。

分區(qū)引導(dǎo)記錄通常包含4塊內(nèi)容：BIOS參數(shù)記錄塊BPB、磁盤(pán)標(biāo)志記錄簿、分區(qū)引導(dǎo)記錄代碼區(qū)及結(jié)束標(biāo)志55AAH。

BPB表從扇區(qū)字節(jié)地址0BH開(kāi)始，共占25個(gè)字節(jié)，表2是從SD卡的首扇區(qū)讀出的BPB表的內(nèi)容示例。

在分區(qū)引導(dǎo)記錄之后是文件分配表FAT（File Allocation Table）區(qū) 。FAT16的文件系統(tǒng)中有兩份完全相同的文件分配表FAT1和FAT2，每份FAT占用空間的大小可從BPB表中查得。文件在磁盤(pán)上以簇為單位存儲(chǔ)，但是同一個(gè)文件的數(shù)據(jù)并不一定完整地存放在磁盤(pán)的一個(gè)連續(xù)的區(qū)域內(nèi)，往往會(huì)分成若干簇，F(xiàn)AT表就是記錄文件存儲(chǔ)中簇與簇之間連接信息的，這就是文件的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)。FAT16以2個(gè)字節(jié)（即16位）表示1個(gè)簇，起始2個(gè)字節(jié)為F8FFH、FFFFH，F(xiàn)FFFH表示終止，0000H時(shí)表示未使用。

緊跟在FAT表之后的是文件目錄表FDT（File Directory Table），它固定占32個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)可以容納16個(gè)登記項(xiàng)，每個(gè)登記項(xiàng)的長(zhǎng)度為32B。登記項(xiàng)的內(nèi)容包括文件名、文件屬性、文件修改時(shí)間和文件長(zhǎng)度等。

文件目錄表之后就是數(shù)據(jù)區(qū)，用來(lái)存放文件數(shù)據(jù)，占用大部分磁盤(pán)空間。

3 FAT16文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)對(duì)SD卡底層的讀寫(xiě)，按照FAT16的格式對(duì)SD卡上數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，就可在SD卡上創(chuàng)建文件、讀寫(xiě)文件和刪除文件，從而實(shí)現(xiàn)文件的管理。

為了程序的可移植性和易用性，將整個(gè)文件系統(tǒng)分為3層，第1層是SD卡驅(qū)動(dòng)層，第2層是FAT16文件系統(tǒng)層，第3層是應(yīng)用層，提供給用戶的接口函數(shù)。

SD卡驅(qū)動(dòng)層完成SD卡控制器中相應(yīng)寄存器的設(shè)置和向SD卡發(fā)送命令,實(shí)現(xiàn)SD卡初始化、讀、寫(xiě)等操作，目的是為FAT16文件系統(tǒng)層提供相應(yīng)的功能函數(shù)，屏蔽直接對(duì)硬件的具體操作。

FAT16文件系統(tǒng)層向應(yīng)用層提供對(duì)文件和目錄進(jìn)行操作的API接口函數(shù)，使寫(xiě)入SD卡的數(shù)據(jù)能夠在被裝有Windows操作系統(tǒng)的上位機(jī)中得到正確訪問(wèn)。

應(yīng)用層直接使用文件系統(tǒng)層的接口函數(shù)完成對(duì)數(shù)據(jù)的操作，而不需要考慮使用函數(shù)的細(xì)節(jié)問(wèn)題以及底層硬件的相關(guān)問(wèn)題。

FAT16文件系統(tǒng)向應(yīng)用層提供的接口函數(shù)有：CreateFile（），創(chuàng)建文件；OpenFile（），打開(kāi)文件；WriteFile（），寫(xiě)文件；ReadFile（），讀文件；DelFile（），刪除文件等。其中創(chuàng)建、讀寫(xiě)、刪除文件是應(yīng)用程序使用的主要函數(shù)接口，下面對(duì)其作詳細(xì)介紹。

(1) 文件的創(chuàng)建

在SD卡上創(chuàng)建文件或目錄的過(guò)程就是在文件目錄表FDT中申請(qǐng)登記項(xiàng)的過(guò)程，流程如圖4所示。登記項(xiàng)包括文件名、文件長(zhǎng)度、起始簇號(hào)等內(nèi)容。

(2) 文件的讀/寫(xiě)

SD卡上文件都是以簇為單位存取的。讀SD卡上的文件，首先要根據(jù)文件名查找到該文件的目錄登記項(xiàng)，根據(jù)目錄登記項(xiàng)中的起始簇號(hào)既可找到文件在數(shù)據(jù)區(qū)中第1簇的內(nèi)容，又可在FAT表中找到第2個(gè)簇號(hào)，根據(jù)第2個(gè)簇號(hào)又能找到第2簇的內(nèi)容和FAT表中第3個(gè)簇號(hào)，依此類推，可以讀取全部文件數(shù)據(jù)。向SD卡寫(xiě)文件，要保證FAT1和FAT2中內(nèi)容的一致性，即對(duì)兩塊都要進(jìn)行同樣的寫(xiě)操作。

(3)文件的刪除

刪除文件時(shí)，不涉及數(shù)據(jù)區(qū)的操作，只須在文件目錄登記項(xiàng)上作一個(gè)刪除標(biāo)記，并把文件在FAT表中所占有的簇標(biāo)記為“空簇”。

通過(guò)對(duì)SPI模式下SD卡讀寫(xiě)和文件系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對(duì)SD卡FAT16文件的管理，包括文件的創(chuàng)建、讀寫(xiě)、刪除等操作。該方法為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種非易失性存儲(chǔ)器的解決方案，采集到的數(shù)據(jù)會(huì)以標(biāo)準(zhǔn)文件的格式記錄到SD卡上，數(shù)據(jù)可在Windows下用讀卡器讀取，在保證高性價(jià)比的同時(shí)，又方便了數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析、處理。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間在心電圖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，證明了該方法的可行性。該文件系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)使得只需對(duì)底層驅(qū)動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改就可以移植到閃存卡等其他存儲(chǔ)介質(zhì)上。該方案也可以應(yīng)用到如MP3等與Windows有交互的移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備中，便于文件的統(tǒng)一管理。