摘 要： 介紹了在嵌入式系統(tǒng)中一種基于SPI協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)SD卡的擴(kuò)展方法，結(jié)合FatFs文件系統(tǒng)，使小型嵌入式系統(tǒng)也能容易、方便地?cái)U(kuò)展大容量存儲(chǔ)器。并在STM32上成功移植，打開(kāi)SD卡中TXT文本，并通過(guò)串口輸出文本中的內(nèi)容。

　　關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)；SPI協(xié)議；SD卡；FatFs文件系統(tǒng)；移植

0 引言

　　近年來(lái)，在各種嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求越來(lái)越高，例如音樂(lè)、圖片以及經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后得到的大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。SD卡是一種基于 Flash 的新一代存儲(chǔ)器，具有體積小、容量大、數(shù)據(jù)傳輸快、移動(dòng)靈活、安全性能好等優(yōu)點(diǎn)，是許多便攜式電子儀器理想的外部存儲(chǔ)介質(zhì)選擇。MCU可以通過(guò)SD模式或者SPI模式訪問(wèn)SD卡，具備串行通信和隨機(jī)存取的能力，這很適合SD卡與單片機(jī)之間的互連和通信[1]。雖然只有少數(shù)高檔的單片機(jī)才提供SD卡接口，但幾乎所有單片機(jī)都支持SPI通信。本文著重介紹基于SPI協(xié)議擴(kuò)展SD卡，并結(jié)合FatFs Module完成文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　FatFs是針對(duì)小型嵌入式系統(tǒng)的一種通用的FAT文件系統(tǒng)模塊，由標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言編寫，并且完全與磁盤I/O層相獨(dú)立。所以，對(duì)于8051、AVR、PIC、Z80、ARM等MCU，只需要修改文件系統(tǒng)中很少的一部分，F(xiàn)atFs就可以被應(yīng)用到基于這些低成本MCU的控制系統(tǒng)中。

1 MCU與SD卡接口的設(shè)計(jì)

　　SD卡只能兼容3.3 V的I/O電平，所以要求MCU能夠支持3.3 V的I/O端口輸出，或者提供電平轉(zhuǎn)換電路，否則很容易損壞SD卡。本文提供一種5 V和3.3 V電平間的轉(zhuǎn)換電路，如圖1和圖2分別是3.3 V轉(zhuǎn)5 V電路和5 V轉(zhuǎn)3.3 V的電路。在SPI模式下，CS/MOSI/MISO/CLK都需要加10 kΩ~100 kΩ左右的上拉電阻，如圖3所示SD卡接口連接圖[2]中R0，R1，R2，R3為4個(gè)上拉電阻。

2 SPI協(xié)議的介紹

　　SD卡協(xié)議包含如圖4[3]所示3個(gè)基本函數(shù)層次。其中SPI模式基礎(chǔ)層主要包括產(chǎn)生片選信號(hào)函數(shù)、SD卡在SPI模式時(shí)的初始化函數(shù)、單字節(jié)讀/寫函數(shù)、雙字節(jié)讀/寫函數(shù)等底層函數(shù)的封裝。SPI模式中間層主要包括對(duì)SD卡命令的寫函數(shù)、數(shù)據(jù)讀取函數(shù)、響應(yīng)的讀寫等函數(shù)。SD卡的API層主要包括對(duì)各種類型SD卡的初始化、SD卡扇區(qū)的讀/寫函數(shù)、SD卡的信息（容量、廠家等）讀取等具有具體功能的應(yīng)用函數(shù)。

3 SD卡的初始化

　　SD卡在上電后默認(rèn)工作在SD模式狀態(tài)，所以要連續(xù)發(fā)送大于74個(gè)最大頻率不超過(guò)400 kHz的CLK時(shí)鐘來(lái)完成與SD卡時(shí)鐘的同步，之后開(kāi)始CMD0的操作，直到CS為有效電平（低電平）SPI模式就被啟用了。接下來(lái)按照?qǐng)D5所示初始化流程來(lái)完成SD卡的初始化工作。通過(guò)SD卡的初始化，可以識(shí)別出插入卡槽中SD卡的類型（MMC、V1、V2或者V2HC），然后就可以開(kāi)始對(duì)SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作。

4 FatFs介紹

　　FatFs模塊的層次如圖6所示，其中應(yīng)用層主要是由FatFs模塊提供給MCU的一系列具有獨(dú)立操作功能的接口函數(shù)，而用戶無(wú)需了解FatFs模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和FAT文件系統(tǒng)協(xié)議，MCU只需要調(diào)用其中的API接口函數(shù)就可以完成在PC機(jī)上讀/寫文件操作。

　　FatFs模塊主要實(shí)現(xiàn)FAT協(xié)議。使用時(shí)，直接將FatFs模塊提供的ff.c和ff.h文件包含到程序中，除非有必要，一般不用修改就可使用。

　　最底層包括用戶移植代碼，需要根據(jù)不同MCU，編寫存儲(chǔ)媒介的讀/寫接口函數(shù)和供給文件創(chuàng)建修改時(shí)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘函數(shù)。

5 程序移植

　　移植 FatFs 主要分為三步：

　　(1) 數(shù)據(jù)類型：在 integer.h 中定義好數(shù)據(jù)的類型。這里需要了解所使用的編譯器和MCU的數(shù)據(jù)類型，并定義好數(shù)據(jù)類型，基本上不需要修改。

　　(2) 配置：打開(kāi) ffconf.h文件，根據(jù)對(duì)文件操作功能的需求，分別對(duì)宏定義設(shè)置文件系統(tǒng)的定義配置，以裁剪不必要的API操作函數(shù)。如表1配置API函數(shù)表所示，其中標(biāo)有“X”的選項(xiàng)函數(shù)即被裁剪掉。例如，_FS_READONLY設(shè)為0時(shí)，F(xiàn)atFs為讀/寫文件系統(tǒng)；設(shè)為1時(shí)，系統(tǒng)為只讀，在宏匯編中裁剪掉與寫操作相關(guān)的函數(shù)。_FS_MINIMIZE，選擇性裁剪API函數(shù)。_USE_STRFUNC，選擇性裁剪與字符操作相關(guān)的API函數(shù)。_USE_MKFS設(shè)為1時(shí)，結(jié)合_FS_READONLY為1來(lái)使能API函數(shù)f_mkfs(),在驅(qū)動(dòng)器上創(chuàng)建文件系統(tǒng)。_USE_FASTSEEK,設(shè)為1，使能快速搜索特性。_USE_LABEL設(shè)為1，啟用磁盤卷標(biāo)功能。_USE_FORWARD設(shè)為1時(shí)，結(jié)合_FS_TINY為1，使能f_forward()函數(shù)，讀取文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到數(shù)據(jù)流設(shè)備。_CODE_PAGE指定在目標(biāo)系統(tǒng)上使用的OEM代碼頁(yè)，例如，設(shè)936為簡(jiǎn)體中文。_FS_RPATH用于配置相對(duì)路徑的功能。

　　(3) 函數(shù)編寫：打開(kāi)diskio.c進(jìn)行底層驅(qū)動(dòng)編寫，實(shí)際上需要編寫6個(gè)接口函數(shù)，如圖7中diskio結(jié)構(gòu)圖所示[4]。其中前5個(gè)接口函數(shù)與MCU底層I/O接口相關(guān)，而get_fattime()與系統(tǒng)的RTC時(shí)鐘相關(guān)。

　?、貲STATUS disk_initialize(BYZE Drive)：函數(shù)初始化邏輯驅(qū)動(dòng)器,為對(duì)SD卡讀/寫做準(zhǔn)備，函數(shù)成功時(shí)，其返回值的STA_NOINIT標(biāo)志位被清零，Drive是指定邏輯驅(qū)動(dòng)器號(hào)。應(yīng)用程序在操作時(shí)不應(yīng)直接調(diào)用此函數(shù)，而是調(diào)用FatFs模塊中提供的API函數(shù)，如f_mount。

　?、贒STATUS disk_status(BYTE Drive)：返回磁盤驅(qū)動(dòng)器的當(dāng)前狀態(tài)。Drive是指定邏輯驅(qū)動(dòng)器號(hào)，不調(diào)用此函數(shù)的情況下，函數(shù)體內(nèi)可以直接返回0。

　?、跠RESULT disk_read(BYTE Drive，BYTE* Buffer,DWORD SectorNumber，BYTE SectorCount)：從磁盤驅(qū)動(dòng)器的扇區(qū)上讀取數(shù)據(jù)。Drive是指定邏輯驅(qū)動(dòng)器號(hào)，Buffer為指向存儲(chǔ)讀取數(shù)據(jù)的數(shù)組的指針，SectorNumber為開(kāi)始讀取的扇區(qū)號(hào)，SectorCount為需要讀取的扇區(qū)數(shù)，函數(shù)成功后返回0。

　?、蹹RESULT disk_write(BYTE Drive,const BYTE* Buffer，DWORD SectorNumber，BYTE SectorCount)：向磁盤驅(qū)動(dòng)器的扇區(qū)寫入數(shù)據(jù)。Drive是指定邏輯驅(qū)動(dòng)器號(hào)，Buffer為指向?qū)懭氩僮鞯臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)組的指針，SectorNumber為開(kāi)始寫入的扇區(qū)號(hào)，SectorCount為需要寫入的扇區(qū)數(shù)，函數(shù)成功后返回0。

　?、軩RESULT disk_ioctl(BYTE Drive，BYTE Command，void* Buffer)：存儲(chǔ)媒介控制函數(shù)。Drive是指定邏輯驅(qū)動(dòng)器號(hào)，Command是指定的命令代碼，Buffer是指向參數(shù)緩沖區(qū)的指針，函數(shù)成功后返回0。

　　⑥D(zhuǎn)WORD get_fattime(void)：獲取當(dāng)前時(shí)間。返回一個(gè)32位無(wú)符號(hào)整數(shù)，代表的時(shí)鐘信息如表2所示[5]。在簡(jiǎn)單使用時(shí)，可以令該函數(shù)直接返回一個(gè)固定的常數(shù)。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　本文簡(jiǎn)述了一種免費(fèi)開(kāi)源的FatFs文件系統(tǒng)基于SPI模式下，使各種小型嵌入式系統(tǒng)能夠擴(kuò)展、管理SD卡這種大容量存儲(chǔ)器，并在STM32上成功移植，效果演示圖如圖8所示，讀出SD卡中TEXT文件夾下的“l(fā)iuqiang.txt”文件里的內(nèi)容等信息，并通過(guò)串口打印出來(lái)。

參考文獻(xiàn)

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