大容量辅助存储系统的设计

SD卡英文全称为Secure Digital Memory Card，其以Flash Memory为存储体，具备体积 小、容量大、功耗低、可擦写以及非易失性等特点，在需要长时间地采集、记录海量数据时， 以SD卡作为存储媒质是一种很好的选择。  

1 系统硬件设计  

1.1 SPI总线  

SPI是一种串行总线接口，主要通过三根线进行数据传输：同步时钟线SCK，主/从机输 出线MISO、主/从机输入线MOSI，还有一条低电平有效的从机片选线CS。SPI系统的片选信号 以及同步时钟脉冲由主机提供。SPI模式通过四条线就可以完成所有的数据交换，传输协议 简单，采用SPI模式对SD卡进行读写操作可大大简化硬件电路的设计。 SPI消息由指令、回应和数据块组成，所有的操作均由主设备控制。  

SPI接口有0、1、2 和 3共四种操作模式。SPI操作模式决定了设备接收和发送数据时的时钟相位和极性，即决定了 时钟信号的上升和下降沿与数据流动方向之间的关系，如图1所示。本设计采用模式3。  


  
1.2 硬件电路设计  

MCU采用的是ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机AT89S51，内含4K字节的可 反复擦写的ROM存储器和128字节的RAM存储器。由于SD卡的数据写入是以块为单位，每块为 512字节，所以在单片机最小系统上增加一片RAM。本系统中RAM选用存储器芯片AT24C64，容 量为64K位。  

对于不带SPI串行总线接口的单片机来说，可以使用软件来模拟SPI的操作，包括串行时 钟、数据输入和数据输出。对于不同的串行接口外围芯片，它们的时钟时序是不同的。对于 在SCK的上升沿输入（接收）数据和在下降沿输出（发送）数据的器件，一般应将其串行时 钟输出口P1.1的初始状态设置为1，而在允许接口后再置P1.1为0。这样，MCU在输出1位SCK 时钟的同时，将使接口芯片串行左移，从而输出1位数据至单片机的P1.3口（模拟MCU的MISO 线），此后再置P1.1为1，使单片机从P1.0（模拟MCU的MOSI线）输出1位数据（先为高位）至 串行接口芯片。至此，模拟1位数据输入输出便宣告完成。此后再置P1.1为0，模拟下1位数 据的输入输出……，依此循环8次，即可完成1次通过SPI总线传输8位数据的操作。对于在SCK 的下降沿输入数据和上升沿输出数据的器件，则应取串行时钟输出的初始状态为0，即在接 口芯片允许时，先置P1.1为1，以便外围接口芯片输出1位数据（MCU接收1位数据），之后再 置时钟为0，使外围接口芯片接收1位数据（MCU发送1位数据），从而完成1位数据的传送。  

为解决电平匹配问题，在MCU和SD卡数据传输之间加了光电耦合器，其抗干扰性能和隔 离性能比较好，由它构成的逻辑电路更可靠。硬件电路连接如图2所示。  


  
2 系统软件设计  

2.1 SD卡初始化  

在SD卡上电复位后，SD卡控制器在向SD卡发送任何命令之前，应向SD卡发送至少74个时 钟周期，以等待SD卡完成上电复位过程，而且此时控制器应将片选信号线置高。在上电复位 完成后，将片选信号线CS置低，即选中SD卡，且发送软件复位指令(CMD0)，SD卡即可进入SPI 模式，并且处于空闲状态。若要对SD卡实现读写操作，单片机应持续发送激活指令CMD1，直 到收到SD卡正确的响应数据0x00，表明SD卡已经退出空闲状态，可以对SD卡寄存器进行读／ 写以及实现数据的传输操作。  

2.2 FAT32文件系统  

FAT32文件系统突破了磁盘管理空间2G的界限，能够管理更大的磁盘空间。SD卡上的 FAT32文件系统的结构包含分区引导记录、文件分配表、文件目录表以及数据区4个部分。  

分区引导记录保存着与文件分配表系统有关的基本输入、输出系统参数分配表(biosparameter block，BPB)。它主要记录文件分配表各个部分的起始扇区以及占用扇区的数目， 根目录大小和簇的大小等重要信息。 在分区引导记录之后是FAT（File Allocation Table，文件分配表）区。FAT32的文件 系统中有两份完全相同的文件分配表FATl和FAT2，每份FAT表占用空间的大小可从BIOS参数 记录块中查得。  

文件分配表的作用是记录磁盘上簇的分配情况。一个文件一般需要占用很多 簇。同一个文件不一定会完整地存放在一个连续存储空间内，而是分成若干段，像链子一样 的存放。在文件名记录中，首先指向文件存储的链头所在文件分配表簇，而该簇的文件分配 表存放下一个链子的文件分配表簇值，如果是文件结尾，使用一个文件结束标志，表示到达 链尾，这样就标识了文件的链式存储，FAT表就是记录文件存储中簇与簇之间连接信息的。  

紧接在FAT表之后的是文件目录表FDT，占32个扇区，每个扇区可以容纳16个登记项，每 个登记项的长度是32字节。文件目录表记录文件的名称，通过目录表查找已存在的文件名， 从而找到指定的文件进行操作。每个文件对应一个描述其属性的结构，定义如表1。  


  
文件目录项结构实现如下：  

Struc direntry  

{  

Unsigned char fName;  

Unsigned char fExtension;  

Unsigned char fAttributes;  

Unsigned char fLowerCase;  

Unsigned char fCHundredth;  

Unsigned char fCTime;  

Unsigned char fCDate;  

Unsigned char fADate;  

Unsigned char fHighClust;  

Unsigned char fMTime;  

Unsigned char fMDate;  

Unsigned char fLowCluster;  

Unsigned char fFileSize;  

}  

文件目录表之后就是数据区DATA，用来存放文件数据，占用大部分的磁盘空间。数据的 读写以扇区为单位，一个簇所包含的扇区数由BPB参数来决定，通过根目录找到对应的文件 名，格式化完成或进行写操作时，就要新建对应文件名的文件分配表区和根目录区，通过文 件分配表区中的保存的簇号，完成对应的数据读写，完成一个簇的操作后，根据文件分配表 的链式结构，找到文件的待操作的下一个簇的簇号，进行相应的操作，直到文件结束。  

2.3 数据块的写操作  

完成SD卡的初始化之后即可进行它的读写操作。SD卡的读写操作都是通过发送SD卡命令 完成的。SPI总线模式支持单块（CMD24）和多块（CMD25）写操作。单块写操作的数据块长 度只能是512字节。单块写入时，命令为CMD24，当应答为0时说明可以写入数据。SD卡对每 个发送给自己的数据块都通过一个应答命令确认，它为1个字节长，当低5位为00101时，表 明数据块被正确写入SD卡。多块写是单块连续写的循环操作，只是写单块和写多块开始时的 令牌包有所不同，多块操作是从指定位置开始写下去，直到SD卡收到一个停止命令CMD12时 才停止。多块数据写时序如图3所示。  


  
3 结束语  

通过对SPI模式下SD卡写操作和文件系统的研究，实现了单片机对SD卡FAT32文件的操 作，包括文件的创建、写操作等。该课题研究在数据采集系统方面有着广泛的应用前景，项 目实施以来直接经济效益20万元。本文创新点：为数据采集系统提供了一种非易失性存储的 解决方案，采集到的大量数据会以标准数据文件的格式记录到SD卡上。