基于MSP430和SD卡的FAT16文件系统的设计

随着Flash Memory等非易失存储技术的发展，诞生了许多基于Flash存储技术的非易失大容量闪烁存储卡。其中SD卡以体积小、功耗低、口线少、操作方便等优势，被广泛应用于各种数码产品中，如数码相机、MP3等。SD卡同时也为低功耗、便携式动态心电监护仪器的采集、存储系统提供了理想的存储介质。本研究设计了一个基于MSP430系列单片机和SD卡的FAT16文件系统，该文件系统能够将采集的数据以Windows标准文件的形式存储在SD卡上，然后通过读卡器方便地将采集的数据传输到通用计算机上，进行进一步的数据处理和分析。

1硬件功能原理及接口设计

SD卡的外形和接口如图1所示。根据SD卡与主控制器的通信协议不同，SD卡对外提供两种访问模式[1]：SD模式和SPI模式。所用通信模式不同，SD卡引脚的功能也不同，具体引脚功能如表1所示。在具体通信过程中，主机只能选择其中一种通信模式，而且通信模式一旦选定，系统在通电情况下不能改变。SD模式下，主控制器使用SD总线访问SD卡，而通常的单片机没有硬件SD总线，尽管可以借助通用口线用软件仿真，但访问速度较低，还要占用大量CPU时间，而单片机多具有SPI总线，本文就利用SPI总线实现对SD卡的访问。下面主要介绍SPI总线方式。

在SPI总线模式下，CS为主控制器向卡发送的片选信号，SCLK为主控制器向卡发送的时钟信号，DI（DataIn）为主控制器向卡发送的单向数据信号，DO（DataOut）为卡向主控制器发送的单向数据信号。SD卡的内部结构如图2所示，SD卡内部除了具有大量存储单元外，还具有卡接口控制器、寄存器以及SD和SPI两种模式的对外接口等。外部主控制器访问卡的接口控制器与存储器单元接口相连。这样主控制器并不直接访问存储器，而是通过卡接口控制器根据主控制器的命令自动处理完成，而主控制器无须知道卡内是如何操作、管理存储单元的，这将大大减轻主控制器对存储器操作的负担。SD卡内部有6个信息寄存器，用来设置和保存操作卡的关键信息，有2个状态寄存器，用来记录操作卡的当前状态。

本设计中的主控制器采用MSP430F149单片机。MSP430系列16位低功耗单片机是一个具有强大处理能力的混合微处理器[2]，它具有强大的处理能力以及丰富的片内外设。MSP430F149除能够满足数据采集功能外，还能很容易地实现对SD卡的访问。与SD卡系统相关的特性如下[3]：

(1) 采用16位的RISC结构，有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下，指令周期为125ns，即指令速度可达8MIPS，能够满足高速操作SD卡的功能要求。

(2)具有2个串行通信接口,可用于异步和同步（UART/SPI），可以直接和SD卡的SPI总线连接。

(3)具有6个8位并行端口，且2个8位端口具有中断能力,能够满足口线的需求以及SPI中断的要求。

(4) 片内存储器包括60KB的Flash和2KB的RAM,不需要外扩存储器，就可以满足对SD卡的访问。

(5) 3.3V的工作电压，与SD卡工作电压兼容。

(6) 时钟系统更加完善，可以使用内部时钟，也可以使用外部时钟，通过编程可以切换。

(7) 可实现通过JTAG接口的在线系统调试，方便系统的开发。

MSP430系列单片机的SPI串行接口的主要特点如下[4]：支持3线或4线SPI操作；可选主模式与从模式；接收和发送有各自的寄存器，且接收和发送为双缓存；移位时钟的极性和相位可编程；主模式的时钟频率可控，SPI位传输速率可通过编程选择；7位或8位字符长度；有写冲突保护和总线竞争保护。

对于MSP430的SPI系统，首先通过UxCTL控制寄存器配置USART模块工作于SPI模式，然后再通过UxBR0和UxBR1波特率选择控制寄存器来设置传输速率。SPI模式下，UBR最小的分频因子是2，所以主机最大数据传输速率（b/s）是系统时钟频率的1/2，因而最高可达4Mb/s。

主控制器MSP430F149与SD卡座的电路连接图如图3所示。除了SPI接口的连接外，还有一根控制线P5.0，用于检测SD卡当前是否设置写保护，写保护时该引脚为高电平，否则为低电平。

2 FAT16文件系统结构分析

要使写入SD卡的数据在Windows下访问，需要在SD卡上创建Windows支持的FAT16文件系统，SD卡上的FAT16文件系统的结构包含分区引导记录、文件分配表、文件目录表及数据区4个部分。

分区引导记录通常包含4块内容：BIOS参数记录块BPB、磁盘标志记录簿、分区引导记录代码区及结束标志55AAH。

BPB表从扇区字节地址0BH开始，共占25个字节，表2是从SD卡的首扇区读出的BPB表的内容示例。

在分区引导记录之后是文件分配表FAT（File Allocation Table）区 。FAT16的文件系统中有两份完全相同的文件分配表FAT1和FAT2，每份FAT占用空间的大小可从BPB表中查得。文件在磁盘上以簇为