摘要：本文詳細介紹了SD卡的基本結構、技術特征和FAT16文件系統的原理、組成，開發了一種基于MSP430F449單片機和SD卡的FAT16文件存儲系統，對接口電路進行了設計，同時給出了軟件系統的設計流程。該系統成功的應用在電量測量儀中，寫入的文件能被Windows操作系統讀寫，在大容量的現場數據采集和存儲方面有著廣泛的應用前景。
　　關鍵詞：MSP430F449；SD卡；FAT文件系統
　　
　　0引言
　　隨著超低功耗單片機及其應用技術的不斷進步和完善，越來越多的研究者開始傾向于研究具有高速采樣，實時記錄數據的嵌入式儀器。這些儀器不僅要求存儲介質體積大、容量大，而且要功耗低、可靠性高、存儲速度快。
　　近幾年，隨著FlashMemory非易失存儲技術的發展，誕生了很多基于Flash存儲技術的大容量閃存卡，例如CF卡、MMC卡、SD卡等等。其中，SD卡以其體積小，功耗低的優勢被廣泛應用于各種數碼產品中。同時其也可以作為嵌入式儀器的數據存儲介質。
　　本文提出了基于高速低功耗MSP430單片機讀寫SD卡的方案，采用串行外設協議總線結構對其數據進行讀寫操作。
　　1MSP430F449與SD卡接口設計
　　本文微控制器選用了MSP430系列的MSP430F449單片機。MSP430系列單片機具有高效16位內核，27條指令，125ns指令周期，其內部由很多模塊組成，各模塊相互獨立，如定時器(Timer)、輸入輸出口（I/O）、A/D轉換、看門狗、液晶顯示器等都可以在主CPU休眠的狀態下獨立運行。MSP430單片機工作在1.8～3.6V電壓下，有正常工作模式和4種低功耗模式，在最低功耗下工作只需1.8μA,從低功耗模式下喚醒僅需6μs。此外MSP430系列單片機具有LCD驅動、A/D轉換以及模擬比較器和多路中斷等，用途十分廣泛。MSP430單片機不但功耗低、而且速度快，更加適合高速的數據采集和處理。具有先進的JTAG技術和Flash在線編程技術,在系統設計、開發調試及實際應用方面都表現出明顯的優勢。
　　SD卡技術在MultimediaCard（MMC卡）基礎上開發，具有功耗低、支持熱插拔等特點，是數碼產品主流的存儲介質，性價比高。SD卡有9個引腳，其中7個和MMC卡在電氣上兼容。
　　SD卡支持SPI和SD通訊方式。SPI方式通訊速率相對較慢，部分支持SD的命令集，由于SPI方式的協議比SD的簡單很多，單片機可以通過內建的SPI接口或GPIO與SD卡進行SPI通訊，是低成本應用的首選方式。MSP430集成了SPI模塊，需要配置在“模式0”。三線式接口由CS（片選），CLK（時鐘），DI（單片機機到卡的數據信號）和DO（卡到單片機機的數據信號）構成，本系統采用MSP430F449的USART1來實現。為避免基于MOS器件技術的SD卡出現未知狀態，各引腳應當正確地上拉或者下拉。由于SD卡的D3腳有可編程的內部上拉電阻（50～100kΩ，可用ACMD42命令斷開），CLK信號總由MSP430驅動，出于低功耗考慮，它們不外接上/下拉電阻。SPI方式數據方向固定，通訊線寬為1，因此D2、D1腳下拉，如圖1所示。
　　
　　圖1SD卡原理圖
　　2軟件實現
　　2.1SD卡的工作模式
　　系統的設計采用串行外設協議（SPI）的連接方式。串行外設協議消息由指令、回應和數據塊組成，所有的操作均由主設備控制。主設備每次開始傳送任務時，都先將片選端置低電平，以激活SD進入工作狀態。SD卡由指令控制，支持特定的指令格式，且每一條指令發送后，SD卡都會有一個應答，以表明卡的狀態。
　　2.2SD卡的初始化
　　SD卡的初始化流程如圖2所示。SD卡上電后的默認模式是SD模式，必須通過初始化命令進入串行外設協議模式。CMD0命令被成功接收后，SD卡會向單片機返回0x01，進入idle_state模式。然后發送CMD1命令，發送成功，SD卡就會返回0x00的八位二進制數，通知主控SD卡初始化完成。
　　需要注意的是，SD卡在進入SPI模式前，空閑狀態只接受SD命令，命令的CRC（循環冗余校驗）域必須有效，進入后，缺省為內容無效；在選擇進入SPI模式后，重新上電前不能返回SD模式；SPI方式中，選中的SD卡總響應命令，而不是超時。
　　
　　圖2SD卡初始化流程圖
　　SD卡的部分初始化代碼及子程序如下：
　　while(status!=0)//如果返回非空，則有錯誤發生或者SD卡將被再次初始化
　　{
　　status=initSD();//SD卡初始化
　　timeout++;
　　if(timeout==50)//如果有錯誤，則重試50次
　　{
　　printf("NoSD-cardfound!!%xn",status);//無SD卡發現
　　break;
　　}
　　}
　　while((SD_ping()!=SD_SUCCESS));//等待，直到卡插入
　　charinitSD(void)
　　{
　　inti;
　　initSPI();//初始化SPI接口及功能
　　CS_HIGH();
　　for(i=0;i<=9;i++)
　　spiSendByte(0xff);
　　return(SD_GoIdle());//返回SD卡的狀態信息
　　}
　　charSD_GoIdle()
　　{
　　charresponse=0x01;
　　CS_LOW();//CS置低SDSendCmd(SD_GO_IDLE_STATE,0,0x95);//發送命令0使SD卡處于SPI模式
　　if(SDGetResponse()!=0x01)//等待準備好響應
　　returnSD_INIT_ERROR;//如果響應不正確，則返回SD卡錯誤
　　while(response==0x01)
　　{
　　CS_HIGH();//CS置高
　　spiSendByte(0xff);//SPI發送一個字節
　　CS_LOW();//CS置低
　　SDSendCmd(SD_SEND_OP_COND,0x00,0xff);//發送CMD1命令
　　response=SDGetResponse();//獲取SD卡的響應
　　}
　　CS_HIGH();//CS置高
　　spiSendByte(0xff);//SPI發送一個字節
　　return(SD_SUCCESS);//返回SD卡初始化成功信息
　　}
　　2.3FAT16文件系統軟件設計
　　目前，在PC機DOS/Windows的管理下，廣泛使用的是FAT12、FAT16、FAT32、NTFS文件系統，FAT12一般用于軟盤，FAT16、FAT32和NTFS則用于硬盤。PC機FAT文件系統分配數據是以簇為單位的，一般來說，NTFS支持大于4G單個文件，管理非常復雜；FAT32的簇要比FAT16小得多，但管理也比FAT16復雜，因此容量大于512M的采用FAT32，容量小于512M的使用FAT16。在磁盤上實際的文件分配表中每個記錄所占的位數不同，FAT12占12位，FAT16占16位，FAT32則占32位。每個記錄中的數據均按照低字節在前，高字節在后排列。
　　本系統采用FAT16文件系統。和其他FAT文件系統一樣，FAT16文件系統的數據信息一般由MBR、DBR、FAT、FDT和數據區5個部分組成。
　　MBR（MasterBootRecord），即主引導記錄，位于0柱面0磁頭1扇區。DBR（DOSBootRecord）系統引導記錄扇區位于邏輯0扇區。主要完成DOS/Windows的自舉，占一個扇區，又被稱為DOS引導扇區或BOOT區，其中，該區的BPB（BiosParameterBlock）參數塊記錄著分區的起始扇區、結束扇區、文件存儲格式、硬盤介質描述符、根目錄大小、FAT個數，分配單元大小等重要參數。文件分配表FAT緊隨DBR之后，從邏輯1扇區開始，它是文件管理系統用來給每個文件分配磁盤物理空間的表格，FAT文件分配表由表標識和簇映射的集合組成，一個完全相同的鏡像副本連續存儲在主FAT表后，FAT的全部目的就是跟蹤文件，具體描述即需要說明整個磁盤分區中的每個存儲單元（簇）的使用情況、文件數據的簇存儲情況（連續或碎片）以及樹型目錄結構的描述。FAT實際上就是一個卷中所有簇使用情況的映射表，每個文件、目錄都同表中的若干項對應聯系，并在目錄中進行索引。FAT之后就是根目錄，記錄整個磁盤上所有文件的有用信息，其中每一個文件占32個字節，包括文件名、文件屬性、文件的修改時間和文件的長度等等。根目錄接下來是數據區，用來存儲采集的數據等信息。
　　SD卡同時支持多塊的連續讀寫（實際是單塊連續寫入的循環操作），只是寫單塊和寫多塊開始時的令牌包有所不同。SD卡多塊寫的流程圖，如圖3所示。可以看出多塊寫只是單塊連續寫的循環操作。其中單塊寫是否成功要看單塊發送完后接受的字節的低4位是否是0101，如果是，即說明單塊寫操作成功。

　　圖3多塊寫流程圖
　　對指定位置的多塊讀操作使用CMD18命令，發送命令后，要求返回數據開始令牌包0xfe，全部數據傳輸完成后，沒有數據，結束令牌包。其它與多塊寫流程類似。
　　下面給出關于FAT16文件系統操作的部分子函數程序代碼，如下所示：
　　cardSize=SD_ReadCardSize();//判斷SD卡的容量
　　ReadBPB();//讀取SD卡的BPB
　　CreateFile("TEST0001TXT");//創建測試文件
　　ReadBlock(FATStartSec());//讀FAT表
　　ReadBlock(DirStartSec());//讀根目錄
　　ReadBlock(DataStartSec());//讀數據開始區
　　SD_GoIdle();//設置SD卡處于空閑狀態
　　voidReadBPB(void)//讀取BPB數據結構子程序
　　{
　　 FAT_BPB*BPB=(FAT_BPB*)BUFFER;
　　 ReadBlock(0); //獲取參數
　　 BPB_BytesPerSec=BPB->BPB_BytesPerSec;
　　 BPB_SecPerClus=BPB->BPB_SecPerClus;
　　 BPB_RsvdSecCnt=BPB->BPB_RsvdSecCnt;
　　 BPB_NumFATs=BPB->BPB_NumFATs;
　　 BPB_RootEntCnt=BPB->BPB_RootEntCnt;
　　 BPB_TotSec16=BPB->BPB_TotSec16;
　　 BPB_FATSz16=BPB->BPB_FATSz16;
　　 BPB_HiddSec=BPB->BPB_HiddSec;
　　}
　　voidCreateFile(uint8FileName[11])//創建文件子程序
　　{
　　 uint16ClusID;
　　DIRFileDir;
　　 EmptyBytes(&FileDir,sizeof(DIR));
　　CopyBytes(FileName,&FileDir.FileName,11);
　　FileDir.FileAttrib=0x20;
　　 FileDir.FilePosit.Start=GetNextFAT();
　　 ClusID=FileDir.FilePosit.Start;
　　 WriteFAT(ClusID,0xffff);
　　WriteFAT2(ClusID,0xffff);
　　 WriteDIR(GetEmptyDIR(),&FileDir);
　　}
　　voidReadBlock(uint32LBA)//讀一個扇區子程序
　　{
　　 SDReadSector(LBA,BUFFER);
　　return;
　　}
　　voidWriteBlock(uint32LBA)//寫一個扇區子程序
　　{
　　 SDWriteSector(LBA,BUFFER);
　　return;
　　}
　　數據的讀寫以扇區為單位，一個簇所包含的扇區數由引導區中基本輸入輸出系統參數的分配表參數來決定，通過根目錄找到對應的文件名，格式化完成或進行寫操作時，就要新建對應文件名的文件分配表區和根目錄區，通過文件分配表區中的保存的簇號，完成對應的數據讀寫，完成一個簇的操作后，根據文件分配表的鏈式結構，找到文件的待操作的下一個簇的簇號，進行相應的操作，直到文件結束。
　　3結束語
　　本文介紹的系統可以很方便的進行存儲容量的擴展，而且功耗低，滿足了長期大量數據存儲的要求。可以很方便的應用于小型便攜式嵌入式系統中，在數據采集存儲方面更加靈活、穩定，擺脫了操作系統的限制。
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