摘 要： 介紹了在嵌入式系統(tǒng)中一種基于SPI協(xié)議實現(xiàn)對SD卡的擴展方法,，結(jié)合FatFs文件系統(tǒng)，使小型嵌入式系統(tǒng)也能容易,、方便地擴展大容量存儲器,。并在STM32上成功移植，打開SD卡中TXT文本,，并通過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,，在各種嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中,，對大量數(shù)據(jù)的存儲需求越來越高，例如音樂,、圖片以及經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后得到的大量實時數(shù)據(jù)的存儲,。SD卡是一種基于 Flash 的新一代存儲器，具有體積小,、容量大,、數(shù)據(jù)傳輸快、移動靈活,、安全性能好等優(yōu)點,，是許多便攜式電子儀器理想的外部存儲介質(zhì)選擇。MCU可以通過SD模式或者SPI模式訪問SD卡,，具備串行通信和隨機存取的能力,，這很適合SD卡與單片機之間的互連和通信[1]。雖然只有少數(shù)高檔的單片機才提供SD卡接口,，但幾乎所有單片機都支持SPI通信,。本文著重介紹基于SPI協(xié)議擴展SD卡,，并結(jié)合FatFs Module完成文件系統(tǒng)的設(shè)計。

　　FatFs是針對小型嵌入式系統(tǒng)的一種通用的FAT文件系統(tǒng)模塊,，由標(biāo)準(zhǔn)C語言編寫,，并且完全與磁盤I/O層相獨立。所以,，對于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

　　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)生片選信號函數(shù),、SD卡在SPI模式時的初始化函數(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個最大頻率不超過400 kHz的CLK時鐘來完成與SD卡時鐘的同步,，之后開始CMD0的操作,，直到CS為有效電平（低電平）SPI模式就被啟用了。接下來按照圖5所示初始化流程來完成SD卡的初始化工作,。通過SD卡的初始化,，可以識別出插入卡槽中SD卡的類型（MMC、V1,、V2或者V2HC）,，然后就可以開始對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的一系列具有獨立操作功能的接口函數(shù),，而用戶無需了解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機上讀/寫文件操作,。

　　FatFs模塊主要實現(xiàn)FAT協(xié)議,。使用時，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,，編寫存儲媒介的讀/寫接口函數(shù)和供給文件創(chuàng)建修改時的實時時鐘函數(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 ffconf.h文件,，根據(jù)對文件操作功能的需求，分別對宏定義設(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”的選項函數(shù)即被裁剪掉,。例如,，_FS_READONLY設(shè)為0時，F(xiàn)atFs為讀/寫文件系統(tǒng),；設(shè)為1時,，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,，結(jié)合_FS_READONLY為1來使能API函數(shù)f_mkfs(),在驅(qū)動器上創(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,，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，例如,，設(shè)936為簡體中文,。_FS_RPATH用于配置相對路徑的功能,。

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

　?、貲STATUS disk_initialize(BYZE Drive)：函數(shù)初始化邏輯驅(qū)動器,為對SD卡讀/寫做準(zhǔn)備,，函數(shù)成功時，其返回值的STA_NOINIT標(biāo)志位被清零,，Drive是指定邏輯驅(qū)動器號,。應(yīng)用程序在操作時不應(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,。

　　②DSTATUS disk_status(BYTE Drive)：返回磁盤驅(qū)動器的當(dāng)前狀態(tài),。Drive是指定邏輯驅(qū)動器號,，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)動器的扇區(qū)上讀取數(shù)據(jù),。Drive是指定邏輯驅(qū)動器號，Buffer為指向存儲讀取數(shù)據(jù)的數(shù)組的指針，SectorNumber為開始讀取的扇區(qū)號,，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)動器的扇區(qū)寫入數(shù)據(jù),。Drive是指定邏輯驅(qū)動器號,，Buffer為指向?qū)懭氩僮鞯臄?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)組的指針，SectorNumber為開始寫入的扇區(qū)號,，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)：存儲媒介控制函數(shù),。Drive是指定邏輯驅(qū)動器號,，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)前時間,。返回一個32位無符號整數(shù),，代表的時鐘信息如表2所示[5]。在簡單使用時,，可以令該函數(shù)直接返回一個固定的常數(shù),。

6 結(jié)束語

　　本文簡述了一種免費開源的FatFs文件系統(tǒng)基于SPI模式下，使各種小型嵌入式系統(tǒng)能夠擴展,、管理SD卡這種大容量存儲器,，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,，并通過串口打印出來。

參考文獻(xiàn)

　　[1] 段琪煒,，周洪利. 基于MMC卡的嵌入式文件系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代計算機,，2006(7):94-96,109.

　　[2] 李寧. ARM開發(fā)工具RealViewMDK使用入門[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008: 266-280.

　　[3] 王永虹,，徐煒,，郝立平. STM32系列為ARM Cortex-M3微控制器原理與實踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008: 305-313.

　　[4] 張洪濤，莫文承,，李兵兵. 基于SPI協(xié)議的 SD卡讀寫機制與實現(xiàn)方法[J]. 電子元器件應(yīng)用,，2008( 3):42-43，47.

　　[5] 譚浩強. C程序設(shè)計(第三版)[M].北京：清華大學(xué)出版社,，2006.