摘要：本文詳細介紹了SD卡的基本結構、技術特征和FAT16文件系統(tǒng)的原理、組成，開發(fā)了一種基于MSP430F449單片機和SD卡的FAT16文件存儲系統(tǒng)，對接口電路進行了設計，同時給出了軟件系統(tǒng)的設計流程。該系統(tǒng)成功的應用在電量測量儀中，寫入的文件能被Windows操作系統(tǒng)讀寫，在大容量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和存儲方面有著廣泛的應用前景。
　　關鍵詞：MSP430F449；SD卡；FAT文件系統(tǒng)
　　
　　0引言
　　隨著超低功耗單片機及其應用技術的不斷進步和完善，越來越多的研究者開始傾向于研究具有高速采樣，實時記錄數(shù)據(jù)的嵌入式儀器。這些儀器不僅要求存儲介質(zhì)體積大、容量大，而且要功耗低、可靠性高、存儲速度快。
　　近幾年，隨著FlashMemory非易失存儲技術的發(fā)展，誕生了很多基于Flash存儲技術的大容量閃存卡，例如CF卡、MMC卡、SD卡等等。其中，SD卡以其體積小，功耗低的優(yōu)勢被廣泛應用于各種數(shù)碼產(chǎn)品中。同時其也可以作為嵌入式儀器的數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)。
　　本文提出了基于高速低功耗MSP430單片機讀寫SD卡的方案，采用串行外設協(xié)議總線結構對其數(shù)據(jù)進行讀寫操作。
　　1MSP430F449與SD卡接口設計
　　本文微控制器選用了MSP430系列的MSP430F449單片機。MSP430系列單片機具有高效16位內(nèi)核，27條指令，125ns指令周期，其內(nèi)部由很多模塊組成，各模塊相互獨立，如定時器(Timer)、輸入輸出口（I/O）、A/D轉換、看門狗、液晶顯示器等都可以在主CPU休眠的狀態(tài)下獨立運行。MSP430單片機工作在1.8～3.6V電壓下，有正常工作模式和4種低功耗模式，在最低功耗下工作只需1.8μA,從低功耗模式下喚醒僅需6μs。此外MSP430系列單片機具有LCD驅(qū)動、A/D轉換以及模擬比較器和多路中斷等，用途十分廣泛。MSP430單片機不但功耗低、而且速度快，更加適合高速的數(shù)據(jù)采集和處理。具有先進的JTAG技術和Flash在線編程技術,在系統(tǒng)設計、開發(fā)調(diào)試及實際應用方面都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。
　　SD卡技術在MultimediaCard（MMC卡）基礎上開發(fā)，具有功耗低、支持熱插拔等特點，是數(shù)碼產(chǎn)品主流的存儲介質(zhì)，性價比高。SD卡有9個引腳，其中7個和MMC卡在電氣上兼容。
　　SD卡支持SPI和SD通訊方式。SPI方式通訊速率相對較慢，部分支持SD的命令集，由于SPI方式的協(xié)議比SD的簡單很多，單片機可以通過內(nèi)建的SPI接口或GPIO與SD卡進行SPI通訊，是低成本應用的首選方式。MSP430集成了SPI模塊，需要配置在“模式0”。三線式接口由CS（片選），CLK（時鐘），DI（單片機機到卡的數(shù)據(jù)信號）和DO（卡到單片機機的數(shù)據(jù)信號）構成，本系統(tǒng)采用MSP430F449的USART1來實現(xiàn)。為避免基于MOS器件技術的SD卡出現(xiàn)未知狀態(tài)，各引腳應當正確地上拉或者下拉。由于SD卡的D3腳有可編程的內(nèi)部上拉電阻（50～100kΩ，可用ACMD42命令斷開），CLK信號總由MSP430驅(qū)動，出于低功耗考慮，它們不外接上/下拉電阻。SPI方式數(shù)據(jù)方向固定，通訊線寬為1，因此D2、D1腳下拉，如圖1所示。
　　
　　圖1SD卡原理圖
　　2軟件實現(xiàn)
　　2.1SD卡的工作模式
　　系統(tǒng)的設計采用串行外設協(xié)議（SPI）的連接方式。串行外設協(xié)議消息由指令、回應和數(shù)據(jù)塊組成，所有的操作均由主設備控制。主設備每次開始傳送任務時，都先將片選端置低電平，以激活SD進入工作狀態(tài)。SD卡由指令控制，支持特定的指令格式，且每一條指令發(fā)送后，SD卡都會有一個應答，以表明卡的狀態(tài)。
　　2.2SD卡的初始化
　　SD卡的初始化流程如圖2所示。SD卡上電后的默認模式是SD模式，必須通過初始化命令進入串行外設協(xié)議模式。CMD0命令被成功接收后，SD卡會向單片機返回0x01，進入idle_state模式。然后發(fā)送CMD1命令，發(fā)送成功，SD卡就會返回0x00的八位二進制數(shù)，通知主控SD卡初始化完成。
　　需要注意的是，SD卡在進入SPI模式前，空閑狀態(tài)只接受SD命令，命令的CRC（循環(huán)冗余校驗）域必須有效，進入后，缺省為內(nèi)容無效；在選擇進入SPI模式后，重新上電前不能返回SD模式；SPI方式中，選中的SD卡總響應命令，而不是超時。
　　
　　圖2SD卡初始化流程圖
　　SD卡的部分初始化代碼及子程序如下：
　　while(status!=0)//如果返回非空，則有錯誤發(fā)生或者SD卡將被再次初始化
　　{
　　status=initSD();//SD卡初始化
　　timeout++;
　　if(timeout==50)//如果有錯誤，則重試50次
　　{
　　printf("NoSD-cardfound!!%xn",status);//無SD卡發(fā)現(xiàn)
　　break;
　　}
　　}
　　while((SD_ping()!=SD_SUCCESS));//等待，直到卡插入
　　charinitSD(void)
　　{
　　inti;
　　initSPI();//初始化SPI接口及功能
　　CS_HIGH();
　　for(i=0;i<=9;i++)
　　spiSendByte(0xff);
　　return(SD_GoIdle());//返回SD卡的狀態(tài)信息
　　}
　　charSD_GoIdle()
　　{
　　charresponse=0x01;
　　CS_LOW();//CS置低SDSendCmd(SD_GO_IDLE_STATE,0,0x95);//發(fā)送命令0使SD卡處于SPI模式
　　if(SDGetResponse()!=0x01)//等待準備好響應
　　returnSD_INIT_ERROR;//如果響應不正確，則返回SD卡錯誤
　　while(response==0x01)
　　{
　　CS_HIGH();//CS置高
　　spiSendByte(0xff);//SPI發(fā)送一個字節(jié)
　　CS_LOW();//CS置低
　　SDSendCmd(SD_SEND_OP_COND,0x00,0xff);//發(fā)送CMD1命令
　　response=SDGetResponse();//獲取SD卡的響應
　　}
　　CS_HIGH();//CS置高
　　spiSendByte(0xff);//SPI發(fā)送一個字節(jié)
　　return(SD_SUCCESS);//返回SD卡初始化成功信息
　　}
　　2.3FAT16文件系統(tǒng)軟件設計
　　目前，在PC機DOS/Windows的管理下，廣泛使用的是FAT12、FAT16、FAT32、NTFS文件系統(tǒng)，F(xiàn)AT12一般用于軟盤，F(xiàn)AT16、FAT32和NTFS則用于硬盤。PC機FAT文件系統(tǒng)分配數(shù)據(jù)是以簇為單位的，一般來說，NTFS支持大于4G單個文件，管理非常復雜；FAT32的簇要比FAT16小得多，但管理也比FAT16復雜，因此容量大于512M的采用FAT32，容量小于512M的使用FAT16。在磁盤上實際的文件分配表中每個記錄所占的位數(shù)不同，F(xiàn)AT12占12位，F(xiàn)AT16占16位，F(xiàn)AT32則占32位。每個記錄中的數(shù)據(jù)均按照低字節(jié)在前，高字節(jié)在后排列。
　　本系統(tǒng)采用FAT16文件系統(tǒng)。和其他FAT文件系統(tǒng)一樣，F(xiàn)AT16文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息一般由MBR、DBR、FAT、FDT和數(shù)據(jù)區(qū)5個部分組成。
　　MBR（MasterBootRecord），即主引導記錄，位于0柱面0磁頭1扇區(qū)。DBR（DOSBootRecord）系統(tǒng)引導記錄扇區(qū)位于邏輯0扇區(qū)。主要完成DOS/Windows的自舉，占一個扇區(qū)，又被稱為DOS引導扇區(qū)或BOOT區(qū)，其中，該區(qū)的BPB（BiosParameterBlock）參數(shù)塊記錄著分區(qū)的起始扇區(qū)、結束扇區(qū)、文件存儲格式、硬盤介質(zhì)描述符、根目錄大小、FAT個數(shù)，分配單元大小等重要參數(shù)。文件分配表FAT緊隨DBR之后，從邏輯1扇區(qū)開始，它是文件管理系統(tǒng)用來給每個文件分配磁盤物理空間的表格，F(xiàn)AT文件分配表由表標識和簇映射的集合組成，一個完全相同的鏡像副本連續(xù)存儲在主FAT表后，F(xiàn)AT的全部目的就是跟蹤文件，具體描述即需要說明整個磁盤分區(qū)中的每個存儲單元（簇）的使用情況、文件數(shù)據(jù)的簇存儲情況（連續(xù)或碎片）以及樹型目錄結構的描述。FAT實際上就是一個卷中所有簇使用情況的映射表，每個文件、目錄都同表中的若干項對應聯(lián)系，并在目錄中進行索引。FAT之后就是根目錄，記錄整個磁盤上所有文件的有用信息，其中每一個文件占32個字節(jié)，包括文件名、文件屬性、文件的修改時間和文件的長度等等。根目錄接下來是數(shù)據(jù)區(qū)，用來存儲采集的數(shù)據(jù)等信息。
　　SD卡同時支持多塊的連續(xù)讀寫（實際是單塊連續(xù)寫入的循環(huán)操作），只是寫單塊和寫多塊開始時的令牌包有所不同。SD卡多塊寫的流程圖，如圖3所示。可以看出多塊寫只是單塊連續(xù)寫的循環(huán)操作。其中單塊寫是否成功要看單塊發(fā)送完后接受的字節(jié)的低4位是否是0101，如果是，即說明單塊寫操作成功。

　　圖3多塊寫流程圖
　　對指定位置的多塊讀操作使用CMD18命令，發(fā)送命令后，要求返回數(shù)據(jù)開始令牌包0xfe，全部數(shù)據(jù)傳輸完成后，沒有數(shù)據(jù)，結束令牌包。其它與多塊寫流程類似。
　　下面給出關于FAT16文件系統(tǒng)操作的部分子函數(shù)程序代碼，如下所示：
　　cardSize=SD_ReadCardSize();//判斷SD卡的容量
　　ReadBPB();//讀取SD卡的BPB
　　CreateFile("TEST0001TXT");//創(chuàng)建測試文件
　　ReadBlock(FATStartSec());//讀FAT表
　　ReadBlock(DirStartSec());//讀根目錄
　　ReadBlock(DataStartSec());//讀數(shù)據(jù)開始區(qū)
　　SD_GoIdle();//設置SD卡處于空閑狀態(tài)
　　voidReadBPB(void)//讀取BPB數(shù)據(jù)結構子程序
　　{
　　 FAT_BPB*BPB=(FAT_BPB*)BUFFER;
　　 ReadBlock(0); //獲取參數(shù)
　　 BPB_BytesPerSec=BPB->BPB_BytesPerSec;
　　 BPB_SecPerClus=BPB->BPB_SecPerClus;
　　 BPB_RsvdSecCnt=BPB->BPB_RsvdSecCnt;
　　 BPB_NumFATs=BPB->BPB_NumFATs;
　　 BPB_RootEntCnt=BPB->BPB_RootEntCnt;
　　 BPB_TotSec16=BPB->BPB_TotSec16;
　　 BPB_FATSz16=BPB->BPB_FATSz16;
　　 BPB_HiddSec=BPB->BPB_HiddSec;
　　}
　　voidCreateFile(uint8FileName[11])//創(chuàng)建文件子程序
　　{
　　 uint16ClusID;
　　DIRFileDir;
　　 EmptyBytes(&FileDir,sizeof(DIR));
　　CopyBytes(FileName,&FileDir.FileName,11);
　　FileDir.FileAttrib=0x20;
　　 FileDir.FilePosit.Start=GetNextFAT();
　　 ClusID=FileDir.FilePosit.Start;
　　 WriteFAT(ClusID,0xffff);
　　WriteFAT2(ClusID,0xffff);
　　 WriteDIR(GetEmptyDIR(),&FileDir);
　　}
　　voidReadBlock(uint32LBA)//讀一個扇區(qū)子程序
　　{
　　 SDReadSector(LBA,BUFFER);
　　return;
　　}
　　voidWriteBlock(uint32LBA)//寫一個扇區(qū)子程序
　　{
　　 SDWriteSector(LBA,BUFFER);
　　return;
　　}
　　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)由引導區(qū)中基本輸入輸出系統(tǒng)參數(shù)的分配表參數(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，直到文件結束。
　　3結束語
　　本文介紹的系統(tǒng)可以很方便的進行存儲容量的擴展，而且功耗低，滿足了長期大量數(shù)據(jù)存儲的要求。可以很方便的應用于小型便攜式嵌入式系統(tǒng)中，在數(shù)據(jù)采集存儲方面更加靈活、穩(wěn)定，擺脫了操作系統(tǒng)的限制。
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