ATmega128L單片機(jī)的MiCrOSD卡讀寫

摘要 針對電腦橫機(jī)控制系統(tǒng)對花型文件數(shù)據(jù)存儲的要求，在ATmegal28L單片機(jī)基礎(chǔ)上采用Micro SD卡實現(xiàn)嵌入式文件系統(tǒng)。文章介紹了Micro SD卡的特點、FAT文件系統(tǒng)、SPI模式協(xié)議以及硬件接口的實現(xiàn)。通過ATmegal28L的SPI模式與Micro SD卡進(jìn)行同步數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)Micro SD卡的讀寫，以FAT32文件格式建立相應(yīng)的文件系統(tǒng)，把數(shù)據(jù)以文件方式寫入Micro SD卡。通過單片機(jī)向Micro SD卡發(fā)送讀寫扇區(qū)命令，完成文件的創(chuàng)建、打開、讀寫、刪除等操作。
關(guān)鍵詞 ATmegal28L Micro SD卡 串行外設(shè)協(xié)議 文件分配表

引 言
    隨著工業(yè)控制系統(tǒng)功能的增強(qiáng)，系統(tǒng)對于存儲介質(zhì)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(chǔ)上發(fā)展起來的一種多功能存儲卡，具備串行和隨機(jī)存取能力，可以通過專用優(yōu)化速度的串行接口訪問，數(shù)據(jù)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(jī)的性能不斷提高，利用高性能、低功耗的AVR 8位ATmegal28L單片機(jī)的串行外設(shè)接口SPI與Micro SD卡之間進(jìn)行高速同步數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計開發(fā)了一種嵌入式文件系統(tǒng)。

1 硬件電路設(shè)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(jī)系統(tǒng)可以選擇其中任一模式。SD卡模式允許4線的高速數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率高，但是大部分單片機(jī)無此接口，使用軟件模擬協(xié)議復(fù)雜。SPI模式使用簡單通用的SPI通道接口就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，目前大多數(shù)單片機(jī)提供SPI接口。SPI模式的優(yōu)勢在于可以使用標(biāo)準(zhǔn)主機(jī)，從而把外設(shè)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(jī)和Micro SD卡之間只需要4根信號線就可以完成數(shù)據(jù)的讀寫，當(dāng)CS信號線為低電平時，主機(jī)開始所有的總線傳輸。數(shù)據(jù)從單片機(jī)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(jī)的MISO引腳，數(shù)據(jù)在CLK信號的上升沿同步輸入和輸出。在每個數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)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(jié)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(jī)。另外，使用SPI模式時，為了防止在無卡接人或卡驅(qū)動器呈高阻態(tài)時總線懸空，根據(jù)SD卡規(guī)范，這些信號需要在主機(jī)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(shè)計
2．1 Micro SD卡初始化為SPI總線模式
    ATmegal28L單片機(jī)包含一個串行外設(shè)接口SPI，可以方便地對Micro SD卡接口進(jìn)行配置。為了配置時鐘和數(shù)據(jù)長度，需要對SPI控制寄存器SPCR和SPI狀態(tài)寄存器SPSR進(jìn)行設(shè)置：使能SPI，選擇單片機(jī)為主機(jī)模式，時鐘上升沿鎖存數(shù)據(jù)，并且對SPI時鐘進(jìn)行設(shè)置。Micro SD卡的SPI模式通信由主機(jī)控制。每一個指令或數(shù)據(jù)塊由8位的字節(jié)和CS標(biāo)志構(gòu)成，SPI通信由指令、響應(yīng)和數(shù)據(jù)組成。主機(jī)先將Micro SD卡的片選CS置低，激活MicroSD卡進(jìn)人工作狀態(tài)。
    剛上電時，Micro SD卡缺省使用專有的SD總線協(xié)議。將Micro SD卡切換到SPI模式，主機(jī)需要發(fā)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(yīng)。空閑狀態(tài)位被置為高電平，此時Micro SD卡進(jìn)入空閑狀態(tài)，此階段的SPI時鐘頻率不能超過400kHz(將SPCR寄存器設(shè)置為0x53)。Micro SD卡進(jìn)入SPI模式后，主機(jī)應(yīng)該先發(fā)一條初始化指令CMD1。此時可將SPI頻率設(shè)置為高速模式(將SPCR寄存器設(shè)置為0x50)。然后發(fā)送命令CM1359決定是否開啟CRC校驗，設(shè)置讀、寫塊數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)
    從Micro SD卡中讀取一個數(shù)據(jù)塊只需要主機(jī)發(fā)送CMDl7(READl_SINGLE_BLOCK)命令，并將起始地址作為參數(shù)(此地址必須和介質(zhì)上一個塊的起始位置對齊)，然后．Micro SD卡會驗證這個字節(jié)地址，并以一個R1命令作為響應(yīng)。完成了Micro SD卡讀取操作后，先發(fā)送一個起始數(shù)據(jù)命令，接著發(fā)送固定數(shù)量的數(shù)據(jù)，最后是兩個字節(jié)CRC校驗。
    從Mimro SD卡中寫入一個數(shù)據(jù)塊和讀取數(shù)據(jù)塊相似，需要主機(jī)發(fā)送CMI)24(wRITE_BLOCK)命令啟動寫操作過程，Micro SD卡將以R1命令響應(yīng)格式進(jìn)行應(yīng)答。如果命令響應(yīng)，則進(jìn)行寫操作，主機(jī)發(fā)送起始令牌，然后發(fā)送固定數(shù)量的數(shù)據(jù)字節(jié)(512字節(jié))，返回一個數(shù)據(jù)響應(yīng)令牌指示需要寫入的數(shù)據(jù)是否完成，最后是兩個字節(jié)的CRC校驗，讀寫單塊數(shù)據(jù)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(jī)對Micro SD卡中文件進(jìn)行操作，以及要使Micro sD卡的數(shù)據(jù)能在PC機(jī)上得到正確的訪問，需要在Micro SD卡上創(chuàng)建它們支持的文件系統(tǒng)，這就需要設(shè)計自己的文件管理系統(tǒng)FAT。FAT文件系統(tǒng)有FATl2、FATl6、FAT32，它們的主要不同是在磁盤分配表結(jié)構(gòu)中每個記錄所占的位數(shù)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(tǒng)。
    文件分配表系統(tǒng)的分區(qū)應(yīng)該有以下幾部分：
    ①保留區(qū)，F(xiàn)AT32稱這個區(qū)域為引導(dǎo)扇區(qū)(bootsec-tOr)。它是操作系統(tǒng)可以直接訪問的第一個扇區(qū)，主要包括與引導(dǎo)操作系統(tǒng)有關(guān)的引導(dǎo)參數(shù)和引導(dǎo)程序，還有就是與FAT文件系統(tǒng)有關(guān)的BPB參數(shù)(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(nèi)存中去。
    ③根目錄區(qū)，記錄根目錄的信息。文件和目錄數(shù)據(jù)區(qū)，是各種文件數(shù)據(jù)的實際存放區(qū)域。
    一個文件管理系統(tǒng)的工作過程主要有三步：第一步是讀取MBR區(qū)，主要是讀DPT表，了解存儲設(shè)備分區(qū)情況。第二步，讀取BPB信息，確定FAT文件系統(tǒng)的各種基本參數(shù)。第三步，顯示當(dāng)前目錄位置。文件系統(tǒng)的實現(xiàn)，就是把對應(yīng)的文件目錄操作拆成相應(yīng)的扇區(qū)讀寫命令就可以了。因此，應(yīng)該在FAT初始化的時候?qū)⒆x寫扇區(qū)函數(shù)指針指向Micro SD卡的讀寫函數(shù)：
   

2．4 FAT32文件系統(tǒng)應(yīng)用接口函數(shù)的實現(xiàn)
    FAT32文件系統(tǒng)向應(yīng)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(chuàng)建文件；FAT_Open()，打開文件；FAT_write()，寫文件；FAT_Read()，讀文件；FAT_Close()，關(guān)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(shù)接口作詳細(xì)介紹。
2．4．1 文件的打開
    在該文件系統(tǒng)中，要讀／寫一個文件必須先打開它，這里通過調(diào)用函數(shù)FAT_Open()實現(xiàn)，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(shù)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(nèi)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(qū)指向SD卡中讀寫扇區(qū)函數(shù)，然后獲取文件所在邏輯盤的信息，計算數(shù)據(jù)所在扇區(qū)，讀取扇區(qū)中的數(shù)據(jù)，最后調(diào)整文件指針。

2．4．3 文件的刪除
    刪除文件時，不涉及數(shù)據(jù)區(qū)的操作，只須在文件的目錄登記項上作一個刪除標(biāo)記，并把文件在FAT表中所占用的簇標(biāo)記為“空簇”。

結(jié) 語
    本設(shè)計將Micro SD卡的存儲方式應(yīng)用到電腦橫機(jī)控制系統(tǒng)中，簡化了花型文件數(shù)據(jù)存儲設(shè)計，減小了系統(tǒng)的尺寸，提高了系統(tǒng)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(xiàn)了嵌入式文件系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的存儲能力。采用ATmegal28L高性能單片機(jī)的串行外設(shè)接口SPI，滿足訪問Micro SD卡的功能要求，加快了整個系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)程。實踐證明，該文件系統(tǒng)讀取Mi—cro SD卡上花型文件的速度滿足該控制系統(tǒng)的要求。該嵌入式文件系統(tǒng)只需對底層驅(qū)動進(jìn)行簡單修改就可移植到CF卡、閃存等其他的存儲介質(zhì)上。