《電子技術(shù)應(yīng)用》
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大容量SD卡在海洋數(shù)據(jù)存儲中的應(yīng)用
摘要: 本文介紹了SD卡在海洋數(shù)據(jù)存儲中的應(yīng)用,使用高性能的STM32F103xx系列處理器提高了SD卡的數(shù)據(jù)讀寫速率,很好地解決了海洋數(shù)據(jù)采集中的大容量存儲問題和SDl.x與SD2.0的識別問題,,并給出了適用于SD卡的FAT32文件系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置及其實現(xiàn)方法。
Abstract:
Key words :

  引言

  海洋要素測量系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)存儲量大,、安全性高,采用可插拔式存儲卡是一種不錯的選擇,。目前,,可插拔式存儲卡有CF卡、U盤及SD卡,。CF卡不能與計算機直接通信,;U盤需要外擴接口芯片才能與單片機通信,增加了外形尺寸及功耗,;而SD卡具有耐用,、可靠、安全,、容量大,、體積小、便于攜帶和兼容性好等優(yōu)點,非常適合于測量系統(tǒng)長期的數(shù)據(jù)存儲,。

  本設(shè)計使用8 GB的SDHC(High Capacity SD Memory Card,,大容量SD存儲卡),為了方便卡上數(shù)據(jù)在操作系統(tǒng)上的讀取,,以及數(shù)據(jù)的進一步分析和處理,,在SDHC卡上建立了FAT32文件系統(tǒng)

  1SD卡接口的硬件設(shè)計

  STM32F103xx增強型系列是意法半導體公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3的高性能的32位RISC內(nèi)核,,工作頻率為72 MHz,,內(nèi)置高速存儲器(128 KB的閃存和20 KB的SRAM),以及豐富的增強I/O端口和連接到2條APB總線的外設(shè),。STM32F103xx系列工作于-40~+105℃的溫度范圍,,供電電壓為2.0~3.6 V,與SD卡工作電壓兼容,,一系列的省電模式可滿足低功耗應(yīng)用的要求,。

  SD卡支持SD模式和SPI模式兩種通信方式。采用SPI模式時,,占用較少的I/O資源,。STM32F103VB包含串行外設(shè)SPI接口,可方便地與SD卡進行連接,。通過4條信號線即可完成數(shù)據(jù)的傳輸,,分別是時鐘SCLK,、主機輸入從機輸出MISO,、主機輸出從機輸入MOSI和片選CS。STM32F103VB與SD卡卡座的接口電路如圖1所示,。

 

  SD卡的最高數(shù)據(jù)讀寫速度為10 MB/s,,接口電壓為2.7~3.6 V,具有9個引腳,。SD卡使用卡座代替?zhèn)鬏旊娎|,,減少了環(huán)境干擾,降低了出錯率,,而且1對1傳輸沒有共享信道的問題,。SD卡在SPI模式下各引腳的定義如表1所列。

 

  2 SD卡接口的軟件設(shè)計

  本設(shè)計采用STM32F103VB自帶的串行外設(shè)SPI接口與SD卡進行通信,,這里只介紹SPI模式的通信方式,。

  2.1SD卡的讀寫

  先對STM32F103VB的SPI_CRl(SPI控制寄存器)以及SPI_SR(SPI狀態(tài)寄存器)進行初始化設(shè)置,使能SPI并使用主機模式,;同時設(shè)置好時鐘,,在時鐘上升沿鎖存數(shù)據(jù)。SPI通道傳輸?shù)幕締挝皇亲止?jié),由STM32F103VB控制其和SD卡之間的所有通信,。

  要讀寫SD卡,,首先要對其進行初始化。初始化成功后,,即可通過發(fā)送相應(yīng)的讀寫命令對SD卡進行讀寫,。SD卡的讀寫流程如圖2所示。

 

  2.2 SD1.x與SD2.0標準的識別

  由于大容量SDHC的出現(xiàn),,SD1.x滿足不了SDHC的容量要求,,標準已經(jīng)升級為SD2.0。但也因此出現(xiàn)了許多電子設(shè)備無法驅(qū)動大容量SD卡的情況,,如何識別SD1.x與SD2.0就顯得尤為重要,。SD2.0的SPI模式初始化流程如圖3所示。

 

  判斷是否為SD2.0卡,,CMD8(SD2.0新增的命令)是關(guān)鍵,。若卡是SD2.0,則發(fā)送CMD8將會返回有效響應(yīng),;若是SD1.x,,則返回非法響應(yīng),這樣就可以識別SD卡的類型,。

  SD1.x與SD2.0的最大不同在于命令地址的表示,。SD1.x的地址單位是字節(jié),而SD2.0的地址單位是扇區(qū),,地址仍然采用32位4個字節(jié)來表示,。因此在讀寫操作時應(yīng)該根據(jù)不同的卡對地址進行相應(yīng)的處理,若是SD1.x則寫入字節(jié)地址,,若為SD2.0則寫入扇區(qū)地址,。

  3 FAT32文件系統(tǒng)

  目前有3種FAT文件系統(tǒng):FAT12、FAT16和FAT32,。它們的區(qū)別在于文件分配表(File Allocation Table,,F(xiàn)AT)中每一表項的大小(也就是所占的位數(shù)):FAT12為12位,F(xiàn)ATl6為16位,,F(xiàn)AT32為32位,。本設(shè)計選擇FAT32文件系統(tǒng)。

  由于文件存儲在硬盤上占用的存儲器空間以簇為最小單位,,F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)不適合管理容量低于512 MB的存儲器,。簇如果太大,存儲小文件會浪費大量的存儲空間,;如果太小,,F(xiàn)AT表會變大,,不方便管理。綜合考慮,,F(xiàn)AT32每簇大小為4 KB,。

  3.1FAT32文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

  FAT32文件系統(tǒng)可以分為以下幾部分;保留區(qū)(reserved region),,存放FAT文件系統(tǒng)的重要參數(shù)和引導程序,;FAT區(qū)(FAT region),記錄簇(cluster)的使用情況,;根目錄區(qū)(root directory region),,記錄根目錄信息,F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)舍棄了這個區(qū),,根目錄區(qū)可以指定為任意一個簇,;文件目錄數(shù)據(jù)區(qū)(file and directory data region),是各種文件數(shù)據(jù)實際存放的區(qū)域,。

  保留區(qū)中的BPB表從扇區(qū)0偏移11個字節(jié)開始,,共占25字節(jié)。表2是格式化為FAT32文件系統(tǒng)的8 GBSD卡首扇區(qū)中讀出的BPB參數(shù)內(nèi)容,。

 

  在保留區(qū)之后是FAT區(qū),,存有文件分配表。一般文件系統(tǒng)中有2份文件分配表FAT1和FAT2,,每份FAT表占用空間的大小可從BPB表中查得,。

  由于采用的是SDHC卡和FAT32文件系統(tǒng),緊接在FAT區(qū)之后的是文件目錄數(shù)據(jù)區(qū),,真正意義上的數(shù)據(jù)從這個區(qū)開始,,以簇編號,順序上第1個簇編號為第2簇,,此簇通常為FAT32根目錄所用,。FAT16從根目錄所占的32個扇區(qū)之后的第一個扇區(qū)開始以簇為單位進行數(shù)據(jù)處理,,這之前仍以扇區(qū)為單位,。目錄與數(shù)據(jù)是統(tǒng)一放到這個區(qū)域的,并且都不是在一個連續(xù)的區(qū)域內(nèi)存放,。沒有任何特殊標記來區(qū)分哪個簇是目錄項,,哪個簇是數(shù)據(jù)項,而是由文件系統(tǒng)從根目錄出發(fā)通過查找的方法來確定簇的類型,。

  3.2 FAT32文件系統(tǒng)實現(xiàn)

  本文設(shè)計的文件系統(tǒng)采用模塊化層次結(jié)構(gòu),,其總體框架如圖4所示。其中,,箭頭表示調(diào)用關(guān)系,。

 

  應(yīng)用程序是面向用戶的,為滿足某種功能需求而編寫的程序??梢酝ㄟ^調(diào)用文件系統(tǒng)提供的API函數(shù)對文件和目錄進行相應(yīng)的操作,。

  文件管理和目錄管理模塊是直接與應(yīng)用程序接口的模塊,位于整個文件系統(tǒng)的最高層,。文件管理模塊提供所有與文件操作相關(guān)的函數(shù),,目錄管理模塊提供所有與目錄操作相關(guān)的函數(shù)。在對文件操作的大多數(shù)情況下,,文件管理模塊需要調(diào)用目錄管理模塊的相關(guān)功能,。

  文件分配表管理模塊主要用來對文件系統(tǒng)的FAT表進行管理,根據(jù)系統(tǒng)的請求對FAT表的內(nèi)容進行相應(yīng)的修改,。文件目錄表管理模塊主要提供對文件和目錄的基本屬性信息的管理,。這兩個模塊管理著文件系統(tǒng)的兩個重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),應(yīng)用程序不能直接調(diào)用它們,。

  緩存模塊是為了降低系統(tǒng)訪問SD卡的次數(shù),,提高整個系統(tǒng)的處理速度而加入的。它使用了部分RAM作為緩存來保存一些訪問過的扇區(qū)的數(shù)據(jù),,一般用來加載FAT表和FDT表的數(shù)據(jù),;向SD卡寫入數(shù)據(jù)時,也需要用它加載數(shù)據(jù),。

  以上幾個模塊的操作都建立在底層驅(qū)動程序上,。底層驅(qū)動程序主要是向SD卡讀寫某個扇區(qū)的程序。

  文件分配表管理模塊包含幾個處理簇鏈的函數(shù),,如獲取指定簇下一簇簇號(fat_next_clus()),、建立簇與指定簇的鏈接關(guān)系(fat_link_clus())、在簇后增加一個空白簇到簇鏈中(fat_add_clus())和刪除指定簇的簇鏈(fat_del_clus_chain()),。文件目錄表管理模塊包含幾個處理文件登記項的函數(shù),,如在給定目錄下查找文件(fat_find_fdt())、在給定目錄下添加文件(fat_add_fdt())和在給定目錄下刪除文件(fat_delete_fdt()),。目錄管理模塊主要是實現(xiàn)建立,、刪除目錄的操作,包含的函數(shù)有根據(jù)路徑查找目錄所在簇(fat_open_dir()),、建立目錄(fat_make_dir())和刪除目錄(fat_del_dir()),。用戶使用文件系統(tǒng)主要是對文件的操作,文件管理模塊提供了對文件的創(chuàng)建,、修改和刪除等操作,,包含函數(shù)新建文件(file_create())、打開文件(file_open()),、讀寫指針設(shè)定(file_seek()),、讀取文件數(shù)據(jù)(file_read()),、寫入文件數(shù)據(jù)(file_write())、刪除文件(file_delete())和關(guān)閉文件(file_close()),。

  結(jié)語

  本文介紹了SD卡在海洋數(shù)據(jù)存儲中的應(yīng)用,,使用高性能的STM32F103xx系列處理器提高了SD卡的數(shù)據(jù)讀寫速率,很好地解決了海洋數(shù)據(jù)采集中的大容量存儲問題和SDl.x與SD2.0的識別問題,,并給出了適用于SD卡的FAT32文件系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置及其實現(xiàn)方法,。

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