大容量辅助存储系统的设计

　摘要：串行SPI通信协议是一种标准的通信协议。本文首先简要介绍了SPI总线模式,然后阐述了单片机在SPI协议下与SD卡硬件接口电路,以及软件模拟的SPI总线数据传输,最后给出了具体实现SD卡的初始化、FAT32文件系统的管理和写操作的软件流程。

　　0 引言

　　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。[!--empirenews.page--]

　　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。[!--empirenews.page--]

　　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[8];

　　Unsigned char fExtension[3];

　　Unsigned char fAttributes;

　　Unsigned char fLowerCase;[!--empirenews.page--]

　　Unsigned char fCHundredth;

　　Unsigned char fCTime[2];

　　Unsigned char fCDate[2];

　　Unsigned char fADate[2];

　　Unsigned char fHighClust[2];

　　Unsigned char fMTime[2];

　　Unsigned char fMDate[2];

　　Unsigned char fLowCluster[2];

　　Unsigned char fFileSize[4];

　　}

　　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。