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ATmega128L單片機的Micro SD卡讀寫(xiě)
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時(shí)間：2016-12-02
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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引言
隨著(zhù)工業(yè)控制系統功能的增強，系統對于存儲介質(zhì)的安全、容量、性能的要求越來(lái)越高。Micro SD卡是在SD卡和Mini SD卡基礎上發(fā)展起來(lái)的一種多功能存儲卡，具備串行和隨機存取能力，可以通過(guò)專(zhuān)用優(yōu)化速度的串行接口訪(fǎng)問(wèn)，數據傳輸可靠，安全性好，傳輸速度快，存儲容量大，體積小，被列為目前全球最小的迷你存儲卡。Micro SD卡支持SD模式和SPI模式。隨著(zhù)高性能單片機的性能不斷提高，利用高性能、低功耗的AVR8位ATmegal28L單片機的串行外設接口SPI與Micro SD卡之間進(jìn)行高速同步數據傳輸，設計開(kāi)發(fā)了一種嵌入式文件系統。
1 硬件電路設計
MicrO SD卡的接口可以支持兩種操作模式：SD模式和SPI模式。主機系統可以選擇其中任一模式。SD卡模式允許4線(xiàn)的高速數據傳輸，傳輸速率高，但是大部分單片機無(wú)此接口，使用軟件模擬協(xié)議復雜。SPI模式使用簡(jiǎn)單通用的SPI通道接口就可實(shí)現數據傳輸，目前大多數單片機提供SPI接口。SPI模式的優(yōu)勢在于可以使用標準主機，從而把外設減少到最低。SPI模式相對于SD模式的缺點(diǎn)是損失了傳輸速度；但是目前的微處理器的處理速度越來(lái)越高，利用SPI模式大都能滿(mǎn)足工程需要。
Micro SD卡要求用全雙工、8位的SPI操作。
ATmegal28L單片機和Micro SD卡之間只需要4根信號線(xiàn)就可以完成數據的讀寫(xiě)，當CS信號線(xiàn)為低電平時(shí)，主機開(kāi)始所有的總線(xiàn)傳輸。數據從單片機的MOSI引腳同步輸入Micro SD卡的DI引腳，并由Micro SD卡的DO線(xiàn)同步輸入單片機的MISO引腳，數據在CLK信號的上升沿同步輸入和輸出。在每個(gè)數據傳輸的結尾還必須提供8個(gè)額外的時(shí)鐘，以允許 Micro SD卡完成任何未完結的操作。由于Micro SD卡的電壓為3．3 V，所以選擇需要支持3．3 V的I／O端口輸出的ATmegal28L單片機。另外，使用SPI模式時(shí)，為了防止在無(wú)卡接人或卡驅動(dòng)器呈高阻態(tài)時(shí)總線(xiàn)懸空，根據SD卡規范，這些信號需要在主機端用10 kQ～100 kΩ的上拉電阻，其硬件連接電路如圖1所示。
2 軟件設計
2．1 Micro SD卡初始化為SPI總線(xiàn)模式
ATmegal28L單片機包含一個(gè)串行外設接口SPI，可以方便地對Micro SD卡接口進(jìn)行配置。為了配置時(shí)鐘和數據長(cháng)度，需要對SPI控制寄存器SPCR和SPI狀態(tài)寄存器SPSR進(jìn)行設置：使能SPI，選擇單片機為主機模式，時(shí)鐘上升沿鎖存數據，并且對SPI時(shí)鐘進(jìn)行設置。Micro SD卡的SPI模式通信由主機控制。每一個(gè)指令或數據塊由8位的字節和CS標志構成，SPI通信由指令、響應和數據組成。主機先將Micro SD卡的片選CS置低，激活MicroSD卡進(jìn)人工作狀態(tài)。
剛上電時(shí)，Micro SD卡缺省使用專(zhuān)有的SD總線(xiàn)協(xié)議。將Micro SD卡切換到SPI模式，主機需要發(fā)出命令(2MD0(GO_IDLE_STATE)。Micro SD卡會(huì )檢測到SPI模式選擇信息，因為卡選擇(CS)引腳在該命令和其他所有SPI命令傳送過(guò)程中都保持為低電平。Micro SD卡以R1作為響應?？臻e狀態(tài)位被置為高電平，此時(shí)Micro SD卡進(jìn)入空閑狀態(tài)，此階段的SPI時(shí)鐘頻率不能超過(guò)400kHz(將SPCR寄存器設置為0x53)。Micro SD卡進(jìn)入SPI模式后，主機應該先發(fā)一條初始化指令CMD1。此時(shí)可將SPI頻率設置為高速模式(將SPCR寄存器設置為0x50)。然后發(fā)送命令 CM1359決定是否開(kāi)啟CRC校驗，設置讀、寫(xiě)塊數據長(cháng)度，最后延遲8個(gè)時(shí)鐘后返回。MicroSD初始化流程如圖2所示。
2．2 Micro SD卡讀寫(xiě)單塊數據
從Micro SD卡中讀取一個(gè)數據塊只需要主機發(fā)送CMDl7(READl_SINGLE_BLOCK)命令，并將起始地址作為參數(此地址必須和介質(zhì)上一個(gè)塊的起始位置對齊)，然后．Micro SD卡會(huì )驗證這個(gè)字節地址，并以一個(gè)R1命令作為響應。完成了Micro SD卡讀取操作后，先發(fā)送一個(gè)起始數據命令，接著(zhù)發(fā)送固定數量的數據，最后是兩個(gè)字節CRC校驗。
從Mimro SD卡中寫(xiě)入一個(gè)數據塊和讀取數據塊相似，需要主機發(fā)送CMI)24(wRITE_BLOCK)命令啟動(dòng)寫(xiě)操作過(guò)程，Micro SD卡將以R1命令響應格式進(jìn)行應答。如果命令響應，則進(jìn)行寫(xiě)操作，主機發(fā)送起始令牌，然后發(fā)送固定數量的數據字節(512字節)，返回一個(gè)數據響應令牌指示需要寫(xiě)入的數據是否完成，最后是兩個(gè)字節的CRC校驗，讀寫(xiě)單塊數據流程如圖3所示。
2．3 Micro SD卡的文件存儲
為了方便ATmegal28L單片機對Micro SD卡中文件進(jìn)行操作，以及要使Micro sD卡的數據能在PC機上得到正確的訪(fǎng)問(wèn)，需要在Micro SD卡上創(chuàng )建它們支持的文件系統，這就需要設計自己的文件管理系統FAT。FAT文件系統有FATl2、FATl6、FAT32，它們的主要不同是在磁盤(pán)分配表結構中每個(gè)記錄所占的位數不同。FAT32文件分配表每一表項為32位。本文選擇建立FAT32文件系統。
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