ATmega128L单片机的MiCrOSD卡读写

摘要 针对电脑横机控制系统对花型文件数据存储的要求，在ATmegal28L单片机基础上采用Micro SD卡实现嵌入式文件系统。文章介绍了Micro SD卡的特点、FAT文件系统、SPI模式协议以及硬件接口的实现。通过ATmegal28L的SPI模式与Micro SD卡进行同步数据传输，实现Micro SD卡的读写，以FAT32文件格式建立相应的文件系统，把数据以文件方式写入Micro SD卡。通过单片机向Micro SD卡发送读写扇区命令，完成文件的创建、打开、读写、删除等操作。
关键词 ATmegal28L Micro SD卡 串行外设协议 文件分配表

引 言
    随着工业控制系统功能的增强，系统对于存储介质的安全、容量、性能的要求越来越高。Micro SD卡是在SD卡和Mini SD卡基础上发展起来的一种多功能存储卡，具备串行和随机存取能力，可以通过专用优化速度的串行接口访问，数据传输可靠，安全性好，传输速度快，存储容量大，体积小，被列为目前全球最小的迷你存储卡。Micro SD卡支持SD模式和SPI模式。随着高性能单片机的性能不断提高，利用高性能、低功耗的AVR 8位ATmegal28L单片机的串行外设接口SPI与Micro SD卡之间进行高速同步数据传输，设计开发了一种嵌入式文件系统。

1 硬件电路设计
    MicrO SD卡的接口可以支持两种操作模式：SD模式和SPI模式。主机系统可以选择其中任一模式。SD卡模式允许4线的高速数据传输，传输速率高，但是大部分单片机无此接口，使用软件模拟协议复杂。SPI模式使用简单通用的SPI通道接口就可实现数据传输，目前大多数单片机提供SPI接口。SPI模式的优势在于可以使用标准主机，从而把外设减少到最低。SPI模式相对于SD模式的缺点是损失了传输速度；但是目前的微处理器的处理速度越来越高，利用SPI模式大都能满足工程需要。
    Micro SD卡要求用全双工、8位的SPI操作。
ATmegal28L单片机和Micro SD卡之间只需要4根信号线就可以完成数据的读写，当CS信号线为低电平时，主机开始所有的总线传输。数据从单片机的MOSI引脚同步输入Micro SD卡的DI引脚，并由Micro SD卡的DO线同步输入单片机的MISO引脚，数据在CLK信号的上升沿同步输入和输出。在每个数据传输的结尾还必须提供8个额外的时钟，以允许Micro SD卡完成任何未完结的操作。由于Micro SD卡的电压为3．3 V，所以选择需要支持3．3 V的I／O端口输出的ATmegal28L单片机。另外，使用SPI模式时，为了防止在无卡接人或卡驱动器呈高阻态时总线悬空，根据SD卡规范，这些信号需要在主机端用10 kQ～100 kΩ的上拉电阻，其硬件连接电路如图1所示。

2 软件设计
2．1 Micro SD卡初始化为SPI总线模式
    ATmegal28L单片机包含一个串行外设接口SPI，可以方便地对Micro SD卡接口进行配置。为了配置时钟和数据长度，需要对SPI控制寄存器SPCR和SPI状态寄存器SPSR进行设置：使能SPI，选择单片机为主机模式，时钟上升沿锁存数据，并且对SPI时钟进行设置。Micro SD卡的SPI模式通信由主机控制。每一个指令或数据块由8位的字节和CS标志构成，SPI通信由指令、响应和数据组成。主机先将Micro SD卡的片选CS置低，激活MicroSD卡进人工作状态。
    刚上电时，Micro SD卡缺省使用专有的SD总线协议。将Micro SD卡切换到SPI模式，主机需要发出命令(2MD0(GO_IDLE_STATE)。Micro SD卡会检测到SPI模式选择信息，因为卡选择(CS)引脚在该命令和其他所有SPI命令传送过程中都保持为低电平。Micro SD卡以R1作为响应。空闲状态位被置为高电平，此时Micro SD卡进入空闲状态，此阶段的SPI时钟频率不能超过400kHz(将SPCR寄存器设置为0x53)。Micro SD卡进入SPI模式后，主机应该先发一条初始化指令CMD1。此时可将SPI频率设置为高速模式(将SPCR寄存器设置为0x50)。然后发送命令CM1359决定是否开启CRC校验，设置读、写块数据长度，最后延迟8个时钟后返回。MicroSD初始化流程如图2所示。

2．2 Micro SD卡读写单块数据
    从Micro SD卡中读取一个数据块只需要主机发送CMDl7(READl_SINGLE_BLOCK)命令，并将起始地址作为参数(此地址必须和介质上一个块的起始位置对齐)，然后．Micro SD卡会验证这个字节地址，并以一个R1命令作为响应。完成了Micro SD卡读取操作后，先发送一个起始数据命令，接着发送固定数量的数据，最后是两个字节CRC校验。
    从Mimro SD卡中写入一个数据块和读取数据块相似，需要主机发送CMI)24(wRITE_BLOCK)命令启动写操作过程，Micro SD卡将以R1命令响应格式进行应答。如果命令响应，则进行写操作，主机发送起始令牌，然后发送固定数量的数据字节(512字节)，返回一个数据响应令牌指示需要写入的数据是否完成，最后是两个字节的CRC校验，读写单块数据流程如图3所示。

2．3 Micro SD卡的文件存储
    为了方便ATmegal28L单片机对Micro SD卡中文件进行操作，以及要使Micro sD卡的数据能在PC机上得到正确的访问，需要在Micro SD卡上创建它们支持的文件系统，这就需要设计自己的文件管理系统FAT。FAT文件系统有FATl2、FATl6、FAT32，它们的主要不同是在磁盘分配表结构中每个记录所占的位数不同。FAT32文件分配表每一表项为32位。本文选择建立FAT32文件系统。
    文件分配表系统的分区应该有以下几部分：
    ①保留区，FAT32称这个区域为引导扇区(bootsec-tOr)。它是操作系统可以直接访问的第一个扇区，主要包括与引导操作系统有关的引导参数和引导程序，还有就是与FAT文件系统有关的BPB参数(Bios ParameterBlock)。
    ②文件分配表，记录磁盘上簇的分配情况，在条件允许的情况下，通常都会把文件分配表全部读到内存中去。
    ③根目录区，记录根目录的信息。文件和目录数据区，是各种文件数据的实际存放区域。
    一个文件管理系统的工作过程主要有三步：第一步是读取MBR区，主要是读DPT表，了解存储设备分区情况。第二步，读取BPB信息，确定FAT文件系统的各种基本参数。第三步，显示当前目录位置。文件系统的实现，就是把对应的文件目录操作拆成相应的扇区读写命令就可以了。因此，应该在FAT初始化的时候将读写扇区函数指针指向Micro SD卡的读写函数：
   

2．4 FAT32文件系统应用接口函数的实现
    FAT32文件系统向应用层提供的接口有：FAT_FindFreeCluster()，查找空簇；FAT_ModifyFAT()，修改FAT项；FAT_OpenDir()，打开目录；FAT_MkDir()，建目录；FAT_RmI)ir()，删除目录；FAT_Rename()，重命名；FAT_Create()，创建文件；FAT_Open()，打开文件；FAT_write()，写文件；FAT_Read()，读文件；FAT_Close()，关闭打开文件；FAT_Delete()，删除文件。下面对文件的打开、读／写和删除函数接口作详细介绍。
2．4．1 文件的打开
    在该文件系统中，要读／写一个文件必须先打开它，这里通过调用函数FAT_Open()实现，文件的打开可以用只读、只写、读写的方式打开。其中，以只读的方式打开文件时，如果文件不存在，则打开文件错误；以只写的方式打开文件，如果文件存在，则文件先被删除然后再建立这个文件；以读写的方式打开文件与只写方式不同，若文件存在，则不会被删除而是直接打开，否则就和只写方式一样。下面以只写方式打开文件为例：
    首先，函数要查找空闲的打开文件登记项，如果没有找到则不能打开文件，如果找到则记录。然后，获取文件的内部名称及所在目录的首簇号，判断目录是否存在。最后，获取：FDT登记项，判断是否为目录，删除文件，添加FDT表项，修改打开文件的信息登记项，返回句柄。文件以只写方式打开文件的流程如图4所示。

2．4．2 文件的读／写
    SD卡上文件都是以簇为单位存取的。读SD卡上的文件，首先要在FAT初始化之前对SD卡初始化，将FAT中读写一个扇区指向SD卡中读写扇区函数，然后获取文件所在逻辑盘的信息，计算数据所在扇区，读取扇区中的数据，最后调整文件指针。

2．4．3 文件的删除
    删除文件时，不涉及数据区的操作，只须在文件的目录登记项上作一个删除标记，并把文件在FAT表中所占用的簇标记为“空簇”。

结 语
    本设计将Micro SD卡的存储方式应用到电脑横机控制系统中，简化了花型文件数据存储设计，减小了系统的尺寸，提高了系统的可靠性，使得花型文件的读出和存取简单易行，裁剪了FAT32实现了嵌入式文件系统，提高了系统的存储能力。采用ATmegal28L高性能单片机的串行外设接口SPI，满足访问Micro SD卡的功能要求，加快了整个系统的设计进程。实践证明，该文件系统读取Mi—cro SD卡上花型文件的速度满足该控制系统的要求。该嵌入式文件系统只需对底层驱动进行简单修改就可移植到CF卡、闪存等其他的存储介质上。