基于ARM和SD卡的嵌入式文件系统研究与设计

摘 要：本文针对汽车性能检测仪对数据的存储和交换要求，在S3C2410A处理器和mCOS-II操作系统基础上采用SD卡设计开发了一种嵌入式文件系统。文章首先介绍SD卡的接口电路，接着给出实现本嵌入式文件系统的3层结构，并且对各层的具体实现进行了剖析。

关键词：嵌入式文件系统；SD卡；FAT16 ；S3C2410A

引言

随着嵌入式处理器计算机能力的不断提高，32位MPU已成为嵌入式系统应用的主流。本文针对汽车性能记录仪研发中遇到的数据存储和数据交换的问题，在ARM9嵌入式处理器和mC/OS-II操作系统基础上采用SD卡设计开发了一种嵌入式文件系统，该系统具有支持多操作系统、易于移植和存储速度快的特点。

接口电路设计

硬件平台的控制核心采用三星公司16/32位RISC控制器S3C2410A，它采用ARM920T内核，主频可达203MHz，内部具有丰富的系统外围设备控制器，包括SD卡控制器。SD卡支持SPI和BUS两种接口模式，本系统采用BUS接口模式。S3C2410A与SD卡读写器的接口电路如图1所示。

SD卡的DAT0~DAT3、CLK(时钟线)和CMD(命令线)分别连接到S3C2410A的 GPE7~GPE10、GPE5和GPE4引脚。SD卡支持单线和4线读/写，前者通过DAT0进行数据串行传输，DAT1作为中断口，最高传输速率25Mbps；后者通过DAT0~DAT3分别进行串行数据传输，最高传输速率100Mbps。

SD卡嵌入式

文件系统设计与实现

整个嵌入式文件系统结构如图2所示，共分3层，包括SD卡驱动层、FAT16文件系统层和应用层。其中，SD卡驱动层又分为4层：硬件抽象层、SD卡工具函数层、SD卡命令层和SD卡操作函数接口层。SD卡嵌入式文件系统是基于SD卡需要按整块进行存储的特性建立起来的，以块为单位对SD卡进行管理，这样既便于管理，也可以屏蔽硬件的操作细节，为应用层开发提供了统一标准的API调用。为了便于与上位机进行数据交换，采用了Windows和Linux都支持的FAT16文件系统。下面具体说明各层的实现。

SD卡驱动层

驱动层是面向主控器S3C2410A和SD卡，完成SD卡控制器中相应寄存器的设置和向SD卡发送命令实现SD卡初始化、读、写等操作，目的是为其上层提供相应的功能函数，屏蔽直接对硬件的具体操作。

硬件抽象层

硬件抽象层主要完成对S3C2410A中SD卡控制器相应寄存器的设置，将对SD卡直接控制抽象为对SD卡控制器的操作。

SD卡工具函数层

本层实现CRC校验，所有的命令(Command)和响应(Response，R3响应除外)使用CRC7校验，生成多项式为：G(x)=x7+x3+1；数据校验采用CRC16，生成多项式为：G(x)=x16+x12+x5+1。CRC7校验采用直接编程计算的方法， CRC16采用查G(x)=x16+x12+x5+1余式表的方法。

SD卡命令层

本层宏定义了各种命令和响应，实现了向SD卡发送各种命令的函数SD_SendCmd()和读写SD卡内部寄存器等功能。SD总线上以位流的方式传送命令和数据，分别以0和1表示起始和停止。SD卡读写时序如图3所示。

Command发起每个操作，通过CMD线串行传输的。SD卡标准定义了两种命令：ACMD(Application specific command)和GEN-CMD(General command)，后者可直接发送，所有的ACMD命令在发送前必须先发送CMD55命令， Response是卡对命令的响应，包括R1、R1b、R2、R3四种类型，通过CMD线传输。Data block通过DAT数据线传输，在写操作过程中，由DAT0线传输busy信号。

SD卡操作函数接口层

本层目的是为FAT16文件系统层提供所需的SD卡操作函数，主要包括：SD_Initialize()-初始化SD卡；SD_GetCardInfo()-获得SD卡信息；SD_CalTimeout()-计算读/写/擦超时时间；SD_ReadBlock()-读单块数据；SD_ReadMultiBlock()-读多个块数据；SD_WriteBlock()-向SD卡中写入一个块；SD_Write MultiBlock()-向SD卡写入多块数据；SD_EraseBlock()-擦除SD卡中的块。以单块数据写为例说明，当SD卡接收到单块写命令CMD24后，卡将发送给主机一个应答令牌，并且等待主机发送一个发送数据块来，当应答R1为0时，说明可以发送数据，块大小设置为512字节，卡对每个数据块返回1字节长的应答令牌，当其低5位为00101时，数据块被正确写入SD卡。数据块之后附有CRC校验，如果校验失败，则所传输的数据会被丢掉，数据传输被终止。

FAT16文件系统层

文件系统层向应用层提供了对文件和目录进行操作的API接口函数。要使写入SD卡的数据在装有Windows或Linux操作系统的上位机中得到正确访问，需要在SD卡上创建它们支持的文件系统，考虑到文件系统在嵌入式设备上实现的方便性和SD卡的应用规模，选择了建立FAT16文件系统。

FAT16文件系统的结构

文件系统由4部分组成：系统记录区(System Record Region)，FAT表区(FAT Region)，文件