基于AT89S52和FAT16的SD卡讀寫系統(tǒng)設(shè)計

引 言
    長期以來，閃存卡(SD卡、MMC卡等)因其體積小、功耗低、容量大和非易失性等特點，在嵌入式存儲領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。特別是近年來，隨著閃存技術(shù)的發(fā)展，閃存卡價格不斷下降且存儲容量不斷提高。當(dāng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需要長時間地采集和記錄海量數(shù)據(jù)時，應(yīng)用SD卡作為存儲介質(zhì)是很好的選擇，例如電能檢測、溫度濕度檢測、病人心肺數(shù)據(jù)記錄等。FAT16文件系統(tǒng)是。Microsoft公司在其MS-DOS 操作系統(tǒng)中采用的文件系統(tǒng)，具有出色的文件管理性能，能被當(dāng)前大多數(shù)操作系統(tǒng)識別。因此，將SD卡與FAT16文件系統(tǒng)相結(jié)合是嵌入式數(shù)據(jù)存儲、記錄系統(tǒng)的理想方案，可以將采集記錄的數(shù)據(jù)直接在PC上讀取和處理。本文研究和設(shè)計了基于AT89S52單片機(jī)和FAT16文件系統(tǒng)的SD卡讀寫系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案介紹
    本系統(tǒng)采用MCS-51架構(gòu)的AT89S52單片機(jī)。AT89S52是一種低成本、低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，具有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。應(yīng)用AT89S52讀寫SD卡，首先要確定它們之間的通信方案。SD卡有2種可選的通信協(xié)議：SD模式和SPI模式。 SD模式是SD卡的標(biāo)準(zhǔn)讀寫方式，選用此模式需要選擇帶SD卡控制接口的MCU或者額外的SD卡控制單元；SPI模式通過SPI總線完成SD卡與主控制器的通信。AT89S52沒有集成SD卡控制器，為了不增加額外的SD卡控制單元硬件成本，本設(shè)計方案采用SD卡的SPI通信模式。雖然AT89S52也沒有集成SPI接口模塊，但可以用軟件的方式模擬SPI接口時序。
    另外一個要解決的問題是SD卡與AT89S52的電平匹配。SD卡的邏輯電平相當(dāng)于3．3 V的TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，AT89S52的邏輯電平為5 V CMOS電平。
    解決電平匹配問題的原則有2條：一為輸出電平器件輸出的高電平的最小值，應(yīng)該大于接收電平器件識別為高電平的最低電壓值；另一條為輸出電平器件輸出低電平的最大電壓值，應(yīng)該小于接收電平器件識別為低電平的最高電壓值。
    考慮到SsD卡在SPI工作模式下，數(shù)據(jù)的傳輸都是單向的，這樣可以在單片機(jī)向SD卡傳輸數(shù)據(jù)時采用晶體管加下拉電阻的方法，基本電路如圖1所示。而在 SD卡向單片機(jī)傳輸數(shù)據(jù)時可以采用直接連接，因為它們之間的電平剛好滿足上述的電平兼容原則，既經(jīng)濟(jì)又實用。這個方案需要雙電源供電，1個5 V電源，1個3．3 V電源。

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2 AT89S52與SD卡接口電路設(shè)計
2．1 SD卡接口規(guī)范
    SD卡工作在2．7～3．6 V電壓下，圖2是普通SD卡的結(jié)構(gòu)示意圖和引腳排列圖，表1列出了各引腳在SPI模式下的定義和功能描述。主機(jī)與SD卡之間通過指令來實現(xiàn)交互。

2．2 接口電路設(shè)計
    AT89S52內(nèi)有256字節(jié)的RAM，由于SD卡數(shù)據(jù)的讀出與寫入是以塊為單位的，而每塊為512字節(jié)，所以需要在單片機(jī)的最小系統(tǒng)上擴(kuò)展1片RAM。本系統(tǒng)選用的RAM芯片為HM62256，容量32KB。系統(tǒng)硬件電路如圖3所示。

3 軟件設(shè)計
3．1 FAT16文件系統(tǒng)
    FAT16文件系統(tǒng)的存儲結(jié)構(gòu)如圖4所示。

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   主引導(dǎo)記錄區(qū)(Main BootRecord，MBR)位于物理磁盤第零扇區(qū)。MBR中有硬盤分區(qū)記錄表(Disk Partition Table，DPT)，DPT記錄了各邏輯分區(qū)的相對偏移。SD卡不支持多分區(qū)，在1個SD卡中只有1個分區(qū)，因此在SD卡上的DPT只有1個分區(qū)表項被占用。系統(tǒng)引導(dǎo)記錄區(qū)(DOS Boot Record，DBR)位于磁盤邏輯分區(qū)的第0扇區(qū)，是操作系統(tǒng)可以訪問的第1個扇區(qū)，它其中包含1個稱為BPB(Bios Parameter Block)的本分區(qū)參數(shù)記錄表。BPB記錄著本分區(qū)的根目錄大小、FAT、個數(shù)、磁盤介質(zhì)描述、分配單元大小等重要參數(shù)。

    DBR之后是FAT(File Allocation Table，文件分配記錄表)，記錄文件在磁盤上的存儲位置。在Windows系統(tǒng)中，文件存儲的單位是簇而不是字節(jié)，1個文件不是連續(xù)地存放于磁盤的某一區(qū)域，而往往分成若干段，像鏈子一樣存放。FAT表記錄了每個文件的起始簇號、后繼簇號和終止簇號。FAT表中的每個表項對應(yīng)數(shù)據(jù)存儲區(qū)中的1個簇，由于FAT表對文件管理的重要性，F(xiàn)AT表有1個備份。
    DIR是根目錄區(qū)，緊接著第2個FAT表(FAT2)之后，記錄著根目錄下每個文件的起始簇號、大小等屬性。操作系統(tǒng)根據(jù)DIR中文件的起始簇號和大小，結(jié)合FAT表來定位文件。FAT16文件系統(tǒng)中1個文件的存儲示意圖如圖5所示。

3．2 SD卡指令規(guī)范
    單片機(jī)通過相應(yīng)指令與SD卡進(jìn)行交互。SD卡有特定的指令格式，都是6字節(jié)長，最高有效位(MSB)傳輸優(yōu)先，如圖6所示。

    SD卡指令的最高2位“01”是SD卡指令的開始標(biāo)志，最后1位“1”是結(jié)束標(biāo)志。6位的指令是SD卡的指令序號，例如CMD17的6位指令即17的二進(jìn)制表示010001。指令參數(shù)占4字節(jié)，具體內(nèi)容參照SD卡規(guī)范。7位CRC校檢的生成多項式為G(x)=x7+x3+1。事實上SD卡在進(jìn)入SPI模式后，不再通過CRC碼來確認(rèn)指令的傳輸正確與否，指令中的7為CRC校檢，只在SD模式下起作用。因此僅SD卡上電后的第1條切換SPI模式指令CMd0 需要校檢碼，而此校檢碼是固定的0x95，其他指令的CRC均置1即可。SD卡響應(yīng)有4種格式，不同指令對應(yīng)不同響應(yīng)，具體內(nèi)容可參看SD卡規(guī)范。
3．3 SD卡讀寫驅(qū)動
3．3．1 SPI時序模擬
    用軟件來模擬SPI總線的具體方法是：將SCK的初始狀態(tài)置0，允許接收后(即CS置0)將SCK置1，這樣單片機(jī)由DI線輸出1位數(shù)據(jù)到SD卡；接著再將SCK置0，單片機(jī)由DO線從SD卡讀1位數(shù)據(jù)。至此，模擬1位數(shù)據(jù)輸入輸出完成。此后再將SCK置1，依次循環(huán)8次，完成SPI總線1字節(jié)數(shù)據(jù)的輸入輸出。
    以下是本系統(tǒng)軟件模擬SPI時序的匯編代碼。以通用寄存器A作為函數(shù)參數(shù)，實現(xiàn)將寄存器A中的數(shù)據(jù)通過SPI總線發(fā)送出去，并將從SPI總線讀到的數(shù)據(jù)存到寄存器A中。

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3．3．2 SD卡的初始化
    SD卡的初始化流程如圖7所示。SD卡上電延時74個時鐘周期后，單片機(jī)向SD卡發(fā)送復(fù)位命令CMDO，使SD卡進(jìn)入SPI模式。之后循環(huán)發(fā)送激活SD卡指令CMD1，直到接收到SD卡響應(yīng)的第0位為0。

3．3．3 SD卡數(shù)據(jù)塊的讀寫
    完成SD卡的初始化后，就可以對SD卡進(jìn)行讀寫操作。讀寫操作都是通過指令來完成的：單塊寫命令CMD24，多塊寫命令CMD25；單塊讀命令 CMD17，多塊讀命令CMD18。單塊讀寫時，數(shù)據(jù)塊的長度為512字節(jié)，多塊讀寫時SD卡收到1個停止命令CMD12后停止讀寫。圖8、圖9分別是單塊讀、寫SD卡的軟件流程。

3．4 FAT16文件讀寫
    按照FAT16文件系統(tǒng)的文件組織規(guī)范，編寫讀文件函數(shù)和寫文件函數(shù)。FAT16文件讀寫的軟件流程如圖10所示。

結(jié) 語
    通過串口將本系統(tǒng)連接到PC進(jìn)行測試，結(jié)果表明本系統(tǒng)完成了對FAT16文件系統(tǒng)下文件的讀寫。當(dāng)采用11．059 2 MHz晶振時，讀寫速度和質(zhì)量都令人滿意。本系統(tǒng)采用51架構(gòu)的AT89S52單片機(jī)，實現(xiàn)了基于FAT16文件系統(tǒng)的讀寫SD卡設(shè)計，整套系統(tǒng)成本較低，在嵌入式數(shù)據(jù)記錄和存儲中有廣泛應(yīng)用前景。