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引言 隨著工業控制系統功能的增強，系統對于存儲介質的安全、容量、性能的要求越來越高。Micro SD卡是在SD卡和Mini SD卡基礎上發展起來的一種多功能存儲卡，具備串行和隨機存取能力，可以通過專用優化速度的串行接口訪問，數據傳輸可靠，安全性好，傳輸速度快，存儲容量大，體積小，被列為目前全球最小的迷你存儲卡。Micro SD卡支持SD模式和SPI模式。隨著高性能單片機的性能不斷提高，利用高性能、低功耗的AVR 8位ATmegal28L單片機的串行外設接口SPI與Micro SD卡之間進行高速同步數據傳輸，設計開發了一種嵌入式文件系統。 1 硬件電路設計 MicrO SD卡的接口可以支持兩種操作模式：SD模式和SPI模式。主機系統可以選擇其中任一模式。SD卡模式允許4線的高速數據傳輸，傳輸速率高，但是大部分單片機無此接口，使用軟件模擬協議復雜。SPI模式使用簡單通用的SPI通道接口就可實現數據傳輸，目前大多數單片機提供SPI接口。SPI模式的優勢在于可以使用標準主機，從而把外設減少到最低。SPI模式相對于SD模式的缺點是損失了傳輸速度；但是目前的微處理器的處理速度越來越高，利用SPI模式大都能滿足工程需要。 Micro SD卡要求用全雙工、8位的SPI操作。 ATmegal28L單片機和Micro SD卡之間只需要4根信號線就可以完成數據的讀寫，當CS信號線為低電平時，主機開始所有的總線傳輸。數據從單片機的MOSI引腳同步輸入Micro SD卡的DI引腳，并由Micro SD卡的DO線同步輸入單片機的MISO引腳，數據在CLK信號的上升沿同步輸入和輸出。在每個數據傳輸的結尾還必須提供8個額外的時鐘，以允許 Micro SD卡完成任何未完結的操作。由于Micro SD卡的電壓為3．3 V，所以選擇需要支持3．3 V的I／O端口輸出的ATmegal28L單片機。另外，使用SPI模式時，為了防止在無卡接人或卡驅動器呈高阻態時總線懸空，根據SD卡規范，這些信號需要在主機端用10 kQ～100 kΩ的上拉電阻，其硬件連接電路如圖1所示。 
2 軟件設計 2．1 Micro SD卡初始化為SPI總線模式 ATmegal28L單片機包含一個串行外設接口SPI，可以方便地對Micro SD卡接口進行配置。為了配置時鐘和數據長度，需要對SPI控制寄存器SPCR和SPI狀態寄存器SPSR進行設置：使能SPI，選擇單片機為主機模式，時鐘上升沿鎖存數據，并且對SPI時鐘進行設置。Micro SD卡的SPI模式通信由主機控制。每一個指令或數據塊由8位的字節和CS標志構成，SPI通信由指令、響應和數據組成。主機先將Micro SD卡的片選CS置低，激活MicroSD卡進人工作狀態。 剛上電時，Micro SD卡缺省使用專有的SD總線協議。將Micro SD卡切換到SPI模式，主機需要發出命令(2MD0(GO_IDLE_STATE)。Micro SD卡會檢測到SPI模式選擇信息，因為卡選擇(CS)引腳在該命令和其他所有SPI命令傳送過程中都保持為低電平。Micro SD卡以R1作為響應。空閑狀態位被置為高電平，此時Micro SD卡進入空閑狀態，此階段的SPI時鐘頻率不能超過400kHz(將SPCR寄存器設置為0x53)。Micro SD卡進入SPI模式后，主機應該先發一條初始化指令CMD1。此時可將SPI頻率設置為高速模式(將SPCR寄存器設置為0x50)。然后發送命令 CM1359決定是否開啟CRC校驗，設置讀、寫塊數據長度，最后延遲8個時鐘后返回。MicroSD初始化流程如圖2所示。
2．2 Micro SD卡讀寫單塊數據 從Micro SD卡中讀取一個數據塊只需要主機發送CMDl7(READl_SINGLE_BLOCK)命令，并將起始地址作為參數(此地址必須和介質上一個塊的起始位置對齊)，然后．Micro SD卡會驗證這個字節地址，并以一個R1命令作為響應。完成了Micro SD卡讀取操作后，先發送一個起始數據命令，接著發送固定數量的數據，最后是兩個字節CRC校驗。 從Mimro SD卡中寫入一個數據塊和讀取數據塊相似，需要主機發送CMI)24(wRITE_BLOCK)命令啟動寫操作過程，Micro SD卡將以R1命令響應格式進行應答。如果命令響應，則進行寫操作，主機發送起始令牌，然后發送固定數量的數據字節(512字節)，返回一個數據響應令牌指示需要寫入的數據是否完成，最后是兩個字節的CRC校驗，讀寫單塊數據流程如圖3所示。
2．3 Micro SD卡的文件存儲 為了方便ATmegal28L單片機對Micro SD卡中文件進行操作，以及要使Micro sD卡的數據能在PC機上得到正確的訪問，需要在Micro SD卡上創建它們支持的文件系統，這就需要設計自己的文件管理系統FAT。FAT文件系統有FATl2、FATl6、FAT32，它們的主要不同是在磁盤分配表結構中每個記錄所占的位數不同。FAT32文件分配表每一表項為32位。本文選擇建立FAT32文件系統。 文件分配表系統的分區應該有以下幾部分： ①保留區，FAT32稱這個區域為引導扇區(bootsec-tOr)。它是操作系統可以直接訪問的第一個扇區，主要包括與引導操作系統有關的引導參數和引導程序，還有就是與FAT文件系統有關的BPB參數(Bios ParameterBlock)。 ②文件分配表，記錄磁盤上簇的分配情況，在條件允許的情況下，通常都會把文件分配表全部讀到內存中去。 ③根目錄區，記錄根目錄的信息。文件和目錄數據區，是各種文件數據的實際存放區域。 一個文件管理系統的工作過程主要有三步：第一步是讀取MBR區，主要是讀DPT表，了解存儲設備分區情況。第二步，讀取BPB信息，確定FAT文件系統的各種基本參數。第三步，顯示當前目錄位置。文件系統的實現，就是把對應的文件目錄操作拆成相應的扇區讀寫命令就可以了。因此，應該在FAT初始化的時候將讀寫扇區函數指針指向Micro SD卡的讀寫函數：
2．4 FAT32文件系統應用接口函數的實現 FAT32文件系統向應用層提供的接口有：FAT_FindFreeCluster()，查找空簇；FAT_ModifyFAT()，修改FAT 項；FAT_OpenDir()，打開目錄；FAT_MkDir()，建目錄；FAT_RmI)ir()，刪除目錄；FAT_Rename()，重命名；FAT_Create()，創建文件；FAT_Open()，打開文件；FAT_write()，寫文件；FAT_Read()，讀文件；FAT_Close()，關閉打開文件；FAT_Delete()，刪除文件。下面對文件的打開、讀／寫和刪除函數接口作詳細介紹。 2．4．1 文件的打開 在該文件系統中，要讀／寫一個文件必須先打開它，這里通過調用函數FAT_Open()實現，文件的打開可以用只讀、只寫、讀寫的方式打開。其中，以只讀的方式打開文件時，如果文件不存在，則打開文件錯誤；以只寫的方式打開文件，如果文件存在，則文件先被刪除然后再建立這個文件；以讀寫的方式打開文件與只寫方式不同，若文件存在，則不會被刪除而是直接打開，否則就和只寫方式一樣。下面以只寫方式打開文件為例： 首先，函數要查找空閑的打開文件登記項，如果沒有找到則不能打開文件，如果找到則記錄。然后，獲取文件的內部名稱及所在目錄的首簇號，判斷目錄是否存在。最后，獲取：FDT登記項，判斷是否為目錄，刪除文件，添加FDT表項，修改打開文件的信息登記項，返回句柄。文件以只寫方式打開文件的流程如圖4所示。
2．4．2 文件的讀／寫 SD卡上文件都是以簇為單位存取的。讀SD卡上的文件，首先要在FAT初始化之前對SD卡初始化，將FAT中讀寫一個扇區指向SD卡中讀寫扇區函數，然后獲取文件所在邏輯盤的信息，計算數據所在扇區，讀取扇區中的數據，最后調整文件指針。
2．4．3 文件的刪除 刪除文件時，不涉及數據區的操作，只須在文件的目錄登記項上作一個刪除標記，并把文件在FAT表中所占用的簇標記為“空簇”。
結語 本設計將Micro SD卡的存儲方式應用到電腦橫機控制系統中，簡化了花型文件數據存儲設計，減小了系統的尺寸，提高了系統的可靠性，使得花型文件的讀出和存取簡單易行，裁剪了FAT32實現了嵌入式文件系統，提高了系統的存儲能力。采用ATmegal28L高性能單片機的串行外設接口SPI，滿足訪問Micro SD卡的功能要求，加快了整個系統的設計進程。實踐證明，該文件系統讀取Mi—cro SD卡上花型文件的速度滿足該控制系統的要求。該嵌入式文件系統只需對底層驅動進行簡單修改就可移植到CF卡、閃存等其他的存儲介質上。 參考文獻 1. 陳冬云 ATmega128 單片機原理與開發指導 2006 2. 段勇 基于MSP430單片機的SD卡讀寫 2007(9) 3. 張洪濤.莫文承.李兵兵 基于 SPI協議的SD卡讀寫機制與實現方法 [期刊論文] -電子元器件應用2008(3) 4. 鄧劍.楊曉非.廖俊卿 FAT 文件系統原理及實現 [期刊論文] -計算機與數字工程2005(9) 5. 左源.劉新寧.師超 一種SD卡控制器的硬件實現 [期刊論文] -電子器件2007(2) 作者：西安工程大學 朱大銳 張團善 高文 來源：單片機與嵌入式系統應用 （5） |
