基于MSP430和SD卡的FAT16文件系統(tǒng)的設計

隨著Flash Memory等非易失存儲技術的發(fā)展，誕生了許多基于Flash存儲技術的非易失大容量閃爍存儲卡。其中SD卡以體積小、功耗低、口線少、操作方便等優(yōu)勢，被廣泛應用于各種數(shù)碼產品中，如數(shù)碼相機、MP3等。SD卡同時也為低功耗、便攜式動態(tài)心電監(jiān)護儀器的采集、存儲系統(tǒng)提供了理想的存儲介質。本研究設計了一個基于MSP430系列單片機和SD卡的FAT16文件系統(tǒng)，該文件系統(tǒng)能夠將采集的數(shù)據(jù)以Windows標準文件的形式存儲在SD卡上，然后通過讀卡器方便地將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄓ糜嬎銠C上，進行進一步的數(shù)據(jù)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(jù)SD卡與主控制器的通信協(xié)議不同，SD卡對外提供兩種訪問模式[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(tǒng)在通電情況下不能改變。SD模式下，主控制器使用SD總線訪問SD卡，而通常的單片機沒有硬件SD總線，盡管可以借助通用口線用軟件仿真，但訪問速度較低，還要占用大量CPU時間，而單片機多具有SPI總線，本文就利用SPI總線實現(xiàn)對SD卡的訪問。下面主要介紹SPI總線方式。

在SPI總線模式下，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)送的時鐘信號，DI（DataIn）為主控制器向卡發(fā)送的單向數(shù)據(jù)信號，DO（DataOut）為卡向主控制器發(fā)送的單向數(shù)據(jù)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。外部主控制器訪問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問存儲器，而是通過卡接口控制器根據(jù)主控制器的命令自動處理完成，而主控制器無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個信息寄存器，用來設置和保存操作卡的關鍵信息，有2個狀態(tài)寄存器，用來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除能夠滿足數(shù)據(jù)采集功能外，還能很容易地實現(xiàn)對SD卡的訪問。與SD卡系統(tǒng)相關的特性如下[3]：

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

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

(3)具有6個8位并行端口，且2個8位端口具有中斷能力,能夠滿足口線的需求以及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，就可以滿足對SD卡的訪問。

(5) 3.3V的工作電壓，與SD卡工作電壓兼容。

(6) 時鐘系統(tǒng)更加完善，可以使用內部時鐘，也可以使用外部時鐘，通過編程可以切換。

(7) 可實現(xiàn)通過JTAG接口的在線系統(tǒng)調試，方便系統(tǒng)的開發(fā)。

MSP430系列單片機的SPI串行接口的主要特點如下[4]：支持3線或4線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；移位時鐘的極性和相位可編程；主模式的時鐘頻率可控，SPI位傳輸速率可通過編程選擇；7位或8位字符長度；有寫沖突保護和總線競爭保護。

對于MSP430的SPI系統(tǒng)，首先通過UxCTL控制寄存器配置USART模塊工作于SPI模式，然后再通過UxBR0和UxBR1波特率選擇控制寄存器來設置傳輸速率。SPI模式下，UBR最小的分頻因子是2，所以主機最大數(shù)據(jù)傳輸速率（b/s）是系統(tǒng)時鐘頻率的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P5.0，用于檢測SD卡當前是否設置寫保護，寫保護時該引腳為高電平，否則為低電平。

2 FAT16文件系統(tǒng)結構分析

要使寫入SD卡的數(shù)據(jù)在Windows下訪問，需要在SD卡上創(chuàng)建Windows支持的FAT16文件系統(tǒng)，SD卡上的FAT16文件系統(tǒng)的結構包含分區(qū)引導記錄、文件分配表、文件目錄表及數(shù)據(jù)區(qū)4個部分。

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

BPB表從扇區(qū)字節(jié)地址0BH開始，共占25個字節(jié)，表2是從SD卡的首扇區(qū)讀出的BPB表的內容示例。

在分區(qū)引導記錄之后是文件分配表FAT（File Allocation Table）區(qū) 。FAT16的文件系統(tǒng)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。文件在磁盤上以簇為單位存儲，但是同一個文件的數(shù)據(jù)并不一定完整地存放在磁盤的一個連續(xù)的區(qū)域內，往往會分成若干簇，F(xiàn)AT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個字節(jié)（即16位）表示1個簇，起始2個字節(jié)為F8FFH、FFFFH，F(xiàn)FFFH表示終止，0000H時表示未使用。

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

文件目錄表之后就是數(shù)據(jù)區(qū)，用來存放文件數(shù)據(jù)，占用大部分磁盤空間。

3 FAT16文件系統(tǒng)的實現(xiàn)

單片機對SD卡底層的讀寫，按照FAT16的格式對SD卡上數(shù)據(jù)進行操作，就可在SD卡上創(chuàng)建文件、讀寫文件和刪除文件，從而實現(xiàn)文件的管理。

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

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

FAT16文件系統(tǒng)層向應用層提供對文件和目錄進行操作的API接口函數(shù)，使寫入SD卡的數(shù)據(jù)能夠在被裝有Windows操作系統(tǒng)的上位機中得到正確訪問。

應用層直接使用文件系統(tǒng)層的接口函數(shù)完成對數(shù)據(jù)的操作，而不需要考慮使用函數(shù)的細節(jié)問題以及底層硬件的相關問題。

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

(1) 文件的創(chuàng)建

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

(2) 文件的讀/寫

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(jù)文件名查找到該文件的目錄登記項，根據(jù)目錄登記項中的起始簇號既可找到文件在數(shù)據(jù)區(qū)中第1簇的內容，又可在FAT表中找到第2個簇號，根據(jù)第2個簇號又能找到第2簇的內容和FAT表中第3個簇號，依此類推，可以讀取全部文件數(shù)據(jù)。向SD卡寫文件，要保證FAT1和FAT2中內容的一致性，即對兩塊都要進行同樣的寫操作。

(3)文件的刪除

刪除文件時，不涉及數(shù)據(jù)區(qū)的操作，只須在文件目錄登記項上作一個刪除標記，并把文件在FAT表中所占有的簇標記為“空簇”。

通過對SPI模式下SD卡讀寫和文件系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了單片機對SD卡FAT16文件的管理，包括文件的創(chuàng)建、讀寫、刪除等操作。該方法為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種非易失性存儲器的解決方案，采集到的數(shù)據(jù)會以標準文件的格式記錄到SD卡上，數(shù)據(jù)可在Windows下用讀卡器讀取，在保證高性價比的同時，又方便了數(shù)據(jù)的進一步分析、處理。通過長時間在心電圖監(jiān)測系統(tǒng)中的實際應用，證明了該方法的可行性。該文件系統(tǒng)的分層結構使得只需對底層驅動進行簡單的修改就可以移植到閃存卡等其他存儲介質上。該方案也可以應用到如MP3等與Windows有交互的移動存儲設備中，便于文件的統(tǒng)一管理。