基于MSP430和SD卡的FAT16文件系統的設計

隨著(zhù)Flash Memory等非易失存儲技術(shù)的發(fā)展，誕生了許多基于Flash存儲技術(shù)的非易失大容量閃爍存儲卡。其中SD卡以體積小、功耗低、口線(xiàn)少、操作方便等優(yōu)勢，被廣泛應用于各種數碼產(chǎn)品中，如數碼相機、MP3等。SD卡同時(shí)也為低功耗、便攜式動(dòng)態(tài)心電監護儀器的采集、存儲系統提供了理想的存儲介質(zhì)。本研究設計了一個(gè)基于MSP430系列單片機和SD卡的FAT16文件系統，該文件系統能夠將采集的數據以Windows標準文件的形式存儲在SD卡上，然后通過(guò)讀卡器方便地將采集的數據傳輸到通用計算機上，進(jìn)行進(jìn)一步的數據處理和分析。

1硬件功能原理及接口設計

SD卡的外形和接口如圖1所示。根據SD卡與主控制器的通信協(xié)議不同，SD卡對外提供兩種訪(fǎng)問(wèn)模式[1]：SD模式和SPI模式。所用通信模式不同，SD卡引腳的功能也不同，具體引腳功能如表1所示。在具體通信過(guò)程中，主機只能選擇其中一種通信模式，而且通信模式一旦選定，系統在通電情況下不能改變。SD模式下，主控制器使用SD總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)SD卡，而通常的單片機沒(méi)有硬件SD總線(xiàn)，盡管可以借助通用口線(xiàn)用軟件仿真，但訪(fǎng)問(wèn)速度較低，還要占用大量CPU時(shí)間，而單片機多具有SPI總線(xiàn)，本文就利用SPI總線(xiàn)實(shí)現對SD卡的訪(fǎng)問(wèn)。下面主要介紹SPI總線(xiàn)方式。

在SPI總線(xiàn)模式下，CS為主控制器向卡發(fā)送的片選信號，SCLK為主控制器向卡發(fā)送的時(shí)鐘信號，DI（DataIn）為主控制器向卡發(fā)送的單向數據信號，DO（DataOut）為卡向主控制器發(fā)送的單向數據信號。SD卡的內部結構如圖2所示，SD卡內部除了具有大量存儲單元外，還具有卡接口控制器、寄存器以及SD和SPI兩種模式的對外接口等。外部主控制器訪(fǎng)問(wèn)卡的接口控制器與存儲器單元接口相連。這樣主控制器并不直接訪(fǎng)問(wèn)存儲器，而是通過(guò)卡接口控制器根據主控制器的命令自動(dòng)處理完成，而主控制器無(wú)須知道卡內是如何操作、管理存儲單元的，這將大大減輕主控制器對存儲器操作的負擔。SD卡內部有6個(gè)信息寄存器，用來(lái)設置和保存操作卡的關(guān)鍵信息，有2個(gè)狀態(tài)寄存器，用來(lái)記錄操作卡的當前狀態(tài)。

本設計中的主控制器采用MSP430F149單片機。MSP430系列16位低功耗單片機是一個(gè)具有強大處理能力的混合微處理器[2]，它具有強大的處理能力以及豐富的片內外設。MSP430F149除能夠滿(mǎn)足數據采集功能外，還能很容易地實(shí)現對SD卡的訪(fǎng)問(wèn)。與SD卡系統相關(guān)的特性如下[3]：

(1) 采用16位的RISC結構，有較高的處理速度，在8MHz晶體驅動(dòng)下，指令周期為125ns，即指令速度可達8MIPS，能夠滿(mǎn)足高速操作SD卡的功能要求。

(2)具有2個(gè)串行通信接口,可用于異步和同步（UART/SPI），可以直接和SD卡的SPI總線(xiàn)連接。

(3)具有6個(gè)8位并行端口，且2個(gè)8位端口具有中斷能力,能夠滿(mǎn)足口線(xiàn)的需求以及SPI中斷的要求。

(4) 片內存儲器包括60KB的Flash和2KB的RAM,不需要外擴存儲器，就可以滿(mǎn)足對SD卡的訪(fǎng)問(wèn)。

(5) 3.3V的工作電壓，與SD卡工作電壓兼容。

(6) 時(shí)鐘系統更加完善，可以使用內部時(shí)鐘，也可以使用外部時(shí)鐘，通過(guò)編程可以切換。

(7) 可實(shí)現通過(guò)JTAG接口的在線(xiàn)系統調試，方便系統的開(kāi)發(fā)。

MSP430系列單片機的SPI串行接口的主要特點(diǎn)如下[4]：支持3線(xiàn)或4線(xiàn)SPI操作；可選主模式與從模式；接收和發(fā)送有各自的寄存器，且接收和發(fā)送為雙緩存；移位時(shí)鐘的極性和相位可編程；主模式的時(shí)鐘頻率可控，SPI位傳輸速率可通過(guò)編程選擇；7位或8位字符長(cháng)度；有寫(xiě)沖突保護和總線(xiàn)競爭保護。

對于MSP430的SPI系統，首先通過(guò)UxCTL控制寄存器配置USART模塊工作于SPI模式，然后再通過(guò)UxBR0和UxBR1波特率選擇控制寄存器來(lái)設置傳輸速率。SPI模式下，UBR最小的分頻因子是2，所以主機最大數據傳輸速率（b/s）是系統時(shí)鐘頻率的1/2，因而最高可達4Mb/s。

主控制器MSP430F149與SD卡座的電路連接圖如圖3所示。除了SPI接口的連接外，還有一根控制線(xiàn)P5.0，用于檢測SD卡當前是否設置寫(xiě)保護，寫(xiě)保護時(shí)該引腳為高電平，否則為低電平。

2 FAT16文件系統結構分析

要使寫(xiě)入SD卡的數據在Windows下訪(fǎng)問(wèn)，需要在SD卡上創(chuàng )建Windows支持的FAT16文件系統，SD卡上的FAT16文件系統的結構包含分區引導記錄、文件分配表、文件目錄表及數據區4個(gè)部分。

分區引導記錄通常包含4塊內容：BIOS參數記錄塊BPB、磁盤(pán)標志記錄簿、分區引導記錄代碼區及結束標志55AAH。

BPB表從扇區字節地址0BH開(kāi)始，共占25個(gè)字節，表2是從SD卡的首扇區讀出的BPB表的內容示例。

在分區引導記錄之后是文件分配表FAT（File Allocation Table）區 。FAT16的文件系統中有兩份完全相同的文件分配表FAT1和FAT2，每份FAT占用空間的大小可從BPB表中查得。文件在磁盤(pán)上以簇為單位存儲，但是同一個(gè)文件的數據并不一定完整地存放在磁盤(pán)的一個(gè)連續的區域內，往往會(huì )分成若干簇，FAT表就是記錄文件存儲中簇與簇之間連接信息的，這就是文件的鏈式存儲。FAT16以2個(gè)字節（即16位）表示1個(gè)簇，起始2個(gè)字節為F8FFH、FFFFH，FFFFH表示終止，0000H時(shí)表示未使用。

緊跟在FAT表之后的是文件目錄表FDT（File Directory Table），它固定占32個(gè)扇區，每個(gè)扇區可以容納16個(gè)登記項，每個(gè)登記項的長(cháng)度為32B。登記項的內容包括文件名、文件屬性、文件修改時(shí)間和文件長(cháng)度等。

文件目錄表之后就是數據區，用來(lái)存放文件數據，占用大部分磁盤(pán)空間。

3 FAT16文件系統的實(shí)現

單片機對SD卡底層的讀寫(xiě)，按照FAT16的格式對SD卡上數據進(jìn)行操作，就可在SD卡上創(chuàng )建文件、讀寫(xiě)文件和刪除文件，從而實(shí)現文件的管理。

為了程序的可移植性和易用性，將整個(gè)文件系統分為3層，第1層是SD卡驅動(dòng)層，第2層是FAT16文件系統層，第3層是應用層，提供給用戶(hù)的接口函數。

SD卡驅動(dòng)層完成SD卡控制器中相應寄存器的設置和向SD卡發(fā)送命令,實(shí)現SD卡初始化、讀、寫(xiě)等操作，目的是為FAT16文件系統層提供相應的功能函數，屏蔽直接對硬件的具體操作。

FAT16文件系統層向應用層提供對文件和目錄進(jìn)行操作的API接口函數，使寫(xiě)入SD卡的數據能夠在被裝有Windows操作系統的上位機中得到正確訪(fǎng)問(wèn)。

應用層直接使用文件系統層的接口函數完成對數據的操作，而不需要考慮使用函數的細節問(wèn)題以及底層硬件的相關(guān)問(wèn)題。

FAT16文件系統向應用層提供的接口函數有：CreateFile（），創(chuàng )建文件；OpenFile（），打開(kāi)文件；WriteFile（），寫(xiě)文件；ReadFile（），讀文件；DelFile（），刪除文件等。其中創(chuàng )建、讀寫(xiě)、刪除文件是應用程序使用的主要函數接口，下面對其作詳細介紹。

(1) 文件的創(chuàng )建

在SD卡上創(chuàng )建文件或目錄的過(guò)程就是在文件目錄表FDT中申請登記項的過(guò)程，流程如圖4所示。登記項包括文件名、文件長(cháng)度、起始簇號等內容。

(2) 文件的讀/寫(xiě)

SD卡上文件都是以簇為單位存取的。讀SD卡上的文件，首先要根據文件名查找到該文件的目錄登記項，根據目錄登記項中的起始簇號既可找到文件在數據區中第1簇的內容，又可在FAT表中找到第2個(gè)簇號，根據第2個(gè)簇號又能找到第2簇的內容和FAT表中第3個(gè)簇號，依此類(lèi)推，可以讀取全部文件數據。向SD卡寫(xiě)文件，要保證FAT1和FAT2中內容的一致性，即對兩塊都要進(jìn)行同樣的寫(xiě)操作。

(3)文件的刪除

刪除文件時(shí)，不涉及數據區的操作，只須在文件目錄登記項上作一個(gè)刪除標記，并把文件在FAT表中所占有的簇標記為“空簇”。

通過(guò)對SPI模式下SD卡讀寫(xiě)和文件系統的研究，實(shí)現了單片機對SD卡FAT16文件的管理，包括文件的創(chuàng )建、讀寫(xiě)、刪除等操作。該方法為數據采集系統提供了一種非易失性存儲器的解決方案，采集到的數據會(huì )以標準文件的格式記錄到SD卡上，數據可在Windows下用讀卡器讀取，在保證高性?xún)r(jià)比的同時(shí)，又方便了數據的進(jìn)一步分析、處理。通過(guò)長(cháng)時(shí)間在心電圖監測系統中的實(shí)際應用，證明了該方法的可行性。該文件系統的分層結構使得只需對底層驅動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改就可以移植到閃存卡等其他存儲介質(zhì)上。該方案也可以應用到如MP3等與Windows有交互的移動(dòng)存儲設備中，便于文件的統一管理。