ATmega128L單片機的Micro SD卡讀寫
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隨著工業(yè)控制系統(tǒng)功能的增強，系統(tǒng)對于存儲介質(zhì)的安全、容量、性能的要求越來越高。Micro SD卡是在SD卡和Mini SD卡基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種多功能存儲卡，具備串行和隨機存取能力，可以通過專用優(yōu)化速度的串行接口訪問，數(shù)據(jù)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(shè)接口SPI與Micro SD卡之間進行高速同步數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計開發(fā)了一種嵌入式文件系統(tǒng)。
1 硬件電路設(shè)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(tǒng)可以選擇其中任一模式。SD卡模式允許4線的高速數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率高，但是大部分單片機無此接口，使用軟件模擬協(xié)議復雜。SPI模式使用簡單通用的SPI通道接口就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，目前大多數(shù)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(shè)減少到最低。SPI模式相對于SD模式的缺點是損失了傳輸速度；但是目前的微處理器的處理速度越來越高，利用SPI模式大都能滿足工程需要。
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根信號線就可以完成數(shù)據(jù)的讀寫，當CS信號線為低電平時，主機開始所有的總線傳輸。數(shù)據(jù)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線同步輸入單片機的MISO引腳，數(shù)據(jù)在CLK信號的上升沿同步輸入和輸出。在每個數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)尾還必須提供8個額外的時鐘，以允許 Micro SD卡完成任何未完結(jié)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，為了防止在無卡接人或卡驅(qū)動器呈高阻態(tài)時總線懸空，根據(jù)SD卡規(guī)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(shè)計
2．1 Micro SD卡初始化為SPI總線模式
ATmegal28L單片機包含一個串行外設(shè)接口SPI，可以方便地對Micro SD卡接口進行配置。為了配置時鐘和數(shù)據(jù)長度，需要對SPI控制寄存器SPCR和SPI狀態(tài)寄存器SPSR進行設(shè)置：使能SPI，選擇單片機為主機模式，時鐘上升沿鎖存數(shù)據(jù)，并且對SPI時鐘進行設(shè)置。Micro SD卡的SPI模式通信由主機控制。每一個指令或數(shù)據(jù)塊由8位的字節(jié)和CS標志構(gòu)成，SPI通信由指令、響應和數(shù)據(jù)組成。主機先將Micro SD卡的片選CS置低，激活MicroSD卡進人工作狀態(tài)。
剛上電時，Micro SD卡缺省使用專有的SD總線協(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Micro SD卡進入空閑狀態(tài)，此階段的SPI時鐘頻率不能超過400kHz(將SPCR寄存器設(shè)置為0x53)。Micro SD卡進入SPI模式后，主機應該先發(fā)一條初始化指令CMD1。此時可將SPI頻率設(shè)置為高速模式(將SPCR寄存器設(shè)置為0x50)。然后發(fā)送命令 CM1359決定是否開啟CRC校驗，設(shè)置讀、寫塊數(shù)據(jù)長度，最后延遲8個時鐘后返回。MicroSD初始化流程如圖2所示。
2．2 Micro SD卡讀寫單塊數(shù)據(jù)
從Micro SD卡中讀取一個數(shù)據(jù)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(shù)(此地址必須和介質(zhì)上一個塊的起始位置對齊)，然后．Micro SD卡會驗證這個字節(jié)地址，并以一個R1命令作為響應。完成了Micro SD卡讀取操作后，先發(fā)送一個起始數(shù)據(jù)命令，接著發(fā)送固定數(shù)量的數(shù)據(jù)，最后是兩個字節(jié)CRC校驗。
從Mimro SD卡中寫入一個數(shù)據(jù)塊和讀取數(shù)據(jù)塊相似，需要主機發(fā)送CMI)24(wRITE_BLOCK)命令啟動寫操作過程，Micro SD卡將以R1命令響應格式進行應答。如果命令響應，則進行寫操作，主機發(fā)送起始令牌，然后發(fā)送固定數(shù)量的數(shù)據(jù)字節(jié)(512字節(jié))，返回一個數(shù)據(jù)響應令牌指示需要寫入的數(shù)據(jù)是否完成，最后是兩個字節(jié)的CRC校驗，讀寫單塊數(shù)據(jù)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卡中文件進行操作，以及要使Micro sD卡的數(shù)據(jù)能在PC機上得到正確的訪問，需要在Micro SD卡上創(chuàng)建它們支持的文件系統(tǒng)，這就需要設(shè)計自己的文件管理系統(tǒng)FAT。FAT文件系統(tǒng)有FATl2、FATl6、FAT32，它們的主要不同是在磁盤分配表結(jié)構(gòu)中每個記錄所占的位數(shù)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(tǒng)。
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