大容量輔助存儲系統的設計

　摘要：串行SPI通信協(xié)議是一種標準的通信協(xié)議。本文首先簡(jiǎn)要介紹了SPI總線(xiàn)模式,然后闡述了單片機在SPI協(xié)議下與SD卡硬件接口電路,以及軟件模擬的SPI總線(xiàn)數據傳輸,最后給出了具體實(shí)現SD卡的初始化、FAT32文件系統的管理和寫(xiě)操作的軟件流程。

　　0 引言

　　SD卡英文全稱(chēng)為Secure DIGITAL Memory Card，其以FLASH Memory為存儲體，具備體積 小、容量大、功耗低、可擦寫(xiě)以及非易失性等特點(diǎn)，在需要長(cháng)時(shí)間地采集、記錄海量數據時(shí)， 以SD卡作為存儲媒質(zhì)是一種很好的選擇。

　　1 系統硬件設計

　　1.1 SPI總線(xiàn)

　　SPI是一種串行總線(xiàn)接口，主要通過(guò)三根線(xiàn)進(jìn)行數據傳輸：同步時(shí)鐘線(xiàn)SCK，主/從機輸 出線(xiàn)MISO、主/從機輸入線(xiàn)MOSI，還有一條低電平有效的從機片選線(xiàn)CS。SPI系統的片選信號 以及同步時(shí)鐘脈沖由主機提供。SPI模式通過(guò)四條線(xiàn)就可以完成所有的數據交換，傳輸協(xié)議 簡(jiǎn)單，采用SPI模式對SD卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作可大大簡(jiǎn)化硬件電路的設計。 SPI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。

　　SPI接口有0、1、2 和 3共四種操作模式。SPI操作模式?jīng)Q定了設備接收和發(fā)送數據時(shí)的時(shí)鐘相位和極性，即決定了 時(shí)鐘信號的上升和下降沿與數據流動(dòng)方向之間的關(guān)系，如圖1所示。本設計采用模式3。

　　1.2 硬件電路設計

　　MCU采用的是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機AT89S51，內含4K字節的可 反復擦寫(xiě)的ROM存儲器和128字節的RAM存儲器。由于SD卡的數據寫(xiě)入是以塊為單位，每塊為 512字節，所以在單片機最小系統上增加一片RAM。本系統中RAM選用存儲器芯片AT24C64，容 量為64K位。

　　對于不帶SPI串行總線(xiàn)接口的單片機來(lái)說(shuō)，可以使用軟件來(lái)模擬SPI的操作，包括串行時(shí) 鐘、數據輸入和數據輸出。對于不同的串行接口外圍芯片，它們的時(shí)鐘時(shí)序是不同的。對于 在SCK的上升沿輸入（接收）數據和在下降沿輸出（發(fā)送）數據的器件，一般應將其串行時(shí) 鐘輸出口P1.1的初始狀態(tài)設置為1，而在允許接口后再置P1.1為0。這樣，MCU在輸出1位SCK 時(shí)鐘的同時(shí)，將使接口芯片串行左移，從而輸出1位數據至單片機的P1.3口（模擬MCU的MISO 線(xiàn)），此后再置P1.1為1，使單片機從P1.0（模擬MCU的MOSI線(xiàn)）輸出1位數據（先為高位）至 串行接口芯片。至此，模擬1位數據輸入輸出便宣告完成。此后再置P1.1為0，模擬下1位數 據的輸入輸出……，依此循環(huán)8次，即可完成1次通過(guò)SPI總線(xiàn)傳輸8位數據的操作。對于在SCK 的下降沿輸入數據和上升沿輸出數據的器件，則應取串行時(shí)鐘輸出的初始狀態(tài)為0，即在接 口芯片允許時(shí)，先置P1.1為1，以便外圍接口芯片輸出1位數據（MCU接收1位數據），之后再 置時(shí)鐘為0，使外圍接口芯片接收1位數據（MCU發(fā)送1位數據），從而完成1位數據的傳送。