1、1 基于 AT89S52 和 FAT16 的 SD 卡读写系统设计 (1) 2009-09-23 10:44:10 作者：张恒 来源 :单片机与嵌入式系统 关键字： AT89S52 SD 卡 SPI 总线 引 言 长期以来，闪存卡 (SD 卡、 MMC 卡等 )因其体积小、功耗低、容量大和非易失性等特点，在嵌入式存储领域的应用越来越广泛。特别是近年来，随着闪存技术的发展，闪存卡价格不断下降且存储容量不断提高。当数据采集系统需要长 时间地采集和记录海量数据时，应用SD 卡作为存储介质是很好的选择，例如电能检测、温度湿度检测、病人心肺数据记录等。FAT16 文件系统是。 Microsoft 公司在
2、其 MS-DOS 操作系统中采用的文件系统，具有出色的文件管理性能，能被当前大多数操作系统识别。因此，将 SD 卡 与 FAT16 文件系统相结合是嵌入式数据存储、记录系统的理想方案， 可以将采集记录的数据直接在 PC 上读取和处理。本文研究和设计了基于 AT89S52 单片机和 FAT16 文件系统的 SD 卡读写系统。 1 系统方案介绍 本系统采用 MCS-51 架构的 AT89S52 单片机。 AT89S52 是一种低成本、 低功耗 、高性能的 CMOS 8 位微控制器，具有 8 KB 在系统可编程 Flash 存储器。应用 AT89S52 读写 SD卡，首先要确定它们之间的通信方案。
3、SD 卡有 2 种可选的通信协议： SD 模式和 SPI 模式。 SD 模式是 SD 卡的标准读写方式，选用此模式需要选择带 SD 卡控制接口的 MCU 或者额外的 SD 卡控制单元； SPI 模式通过 SPI 总线 完成 SD 卡与主控制器的通信。 AT89S52 没有集成 SD 卡控制器，为了不增加额外的 SD 卡控制单元硬件成本，本设计方案采用 SD 卡的 SPI通信模式。虽然 AT89S52 也没有集成 SPI 接口模块，但可以用软件的方式模拟 SPI 接口时序。 另外一个要解决的问题是 SD 卡与 AT89S52 的电平匹配。 SD 卡的逻辑电平相当于 3 3 V 的 TTL 电平标
4、准， AT89S52 的逻辑电平为 5 V CMOS 电平。 解决电平匹配问题的原则有 2 条：一为输出电平器件输出的高电平的最小值，应该大于接收电平器件识别为高电平的最低电压值；另 一条为输出电平器件输出低电平的最大电压值，应该小于接收电平器件识别为低电平的最高电压值。 考虑到 SsD 卡在 SPI 工作模式下，数据的传输都是单向的，这样可以在单片机向 SD 卡传输数据时采用晶体管加下拉电阻的方法，基本电路如图 1 所示。而在 SD 卡向单片机传输数据时可以采用直接连接，因为它们之间的电平刚好满足上述的电平兼容原则，既经济又实用。这个方案需要双电源供电， 1 个 5 V 电源， 1 个 3
5、3 V 电源。 2 2 AT89S52 与 SD 卡接口电路设计 2 1 SD 卡接口规范 SD 卡工作在 2 7 3 6 V 电压下，图 2 是普通 SD 卡的结构示意图和引脚排列图，表1 列出了各引脚在 SPI 模式下的定义和功能描述。主机与 SD 卡之间通过指令来实现交互。 3 2 2 接口电路设计 AT89S52 内有 256 字节的 RAM，由于 SD 卡数据的读出与写入是以块为单位的，而每块为 512 字节，所以需要在单片机的最小系 统上扩展 1 片 RAM。本系统选用的 RAM 芯片为 HM62256，容量 32KB。系统硬件电路如图 3 所示。 4 3 软件设计 3 1 FAT
6、16 文件系统 FAT16 文件系统的存储结构如图 4 所示。 5 主引导记录区 (Main BootRecord， MBR)位于物理磁盘第零扇区。 MBR 中有硬盘分区记录表 (Disk Partition Table， DPT)， DPT 记录了各逻辑分区的相对偏移。 SD 卡不支持多分区，在 1 个 SD 卡中只有 1 个分区，因此在 SD 卡上的 DPT 只有 1 个分区表项被占用。系统引导记录区 (DOS Boot Record， DBR)位于磁盘逻辑分区的第 0 扇区，是操作系统可以访问的第 1个扇区，它其中包含 1 个称为 BPB(Bios Parameter Block)的本分
7、区参数记录表。 BPB 记录着本分区的根目录大小、 FAT、个数、磁盘介质描述、分配单元大小等重要参数。 DBR 之后是 FAT(File Allocation Table，文件分配记录表 )，记录文件在磁盘上的存储位置。在 Windows 系统中，文件存储的单位是簇而不是字节， 1 个文件不是连续地存放于磁盘的某一区域，而往往分成若干段，像链子一样存放。 FAT 表记录了每个文件的起始簇 号、后继簇号和终止簇号。 FAT 表中的每个表项对应数据存储区中的 1 个簇，由于 FAT 表对文件管理的重要性， FAT 表有 1 个备份。 DIR 是根目录区，紧接着第 2 个 FAT 表 (FAT2)
8、之后，记录着根目录下每个文件的起始簇号、大小等属性。操作系统根据 DIR 中文件的起始簇号和大小，结合 FAT 表来定位文件。FAT16 文件系统中 1 个文件的存储示意图如图 5 所示。 6 3 2 SD 卡指令规范 单片机通过相应指令与 SD 卡进行交互。 SD 卡有特定的指令格式，都是 6 字节长，最高有效位 (MSB)传输优先，如图 6 所示。 SD 卡指令的最高 2 位 “01”是 SD 卡指令的开始标志，最后 1 位 “1”是结束标志。 6 位的指令是 SD 卡的指令序号，例如 CMD17 的 6 位指令即 17 的二进制表示 010001。指令参数占 4 字节，具体内容参照 SD
9、 卡规范。 7 位 CRC 校检的生成多项式为 G(x)=x7+x3+1。事实上 SD 卡在进入 SPI 模式后，不再通过 CRC 码来确认指令的传输正确与否，指令中的 7 为CRC 校检，只在 SD 模式下起作用。因此仅 SD 卡上电后的第 1 条切换 SPI 模式指令 CMd0 需要校检码，而此校检码是固定的 0x95，其他指令的 CRC 均置 1 即可。 SD 卡响应有 4 种格式，不同指令对应不同 响应，具体内容可参看 SD 卡规范 3 3 SD 卡读写驱动 3 3 1 SPI 时序模拟 用软件来模拟 SPI 总线的具体方法是：将 SCK 的初始状态置 0，允许接收后 (即 CS 置0
10、)将 SCK 置 1，这样单片机由 DI 线输出 1 位数据到 SD 卡；接着再将 SCK 置 0，单片机由7 DO 线从 SD 卡读 1 位数据。至此，模拟 1 位数据输入输出完成。此后再将 SCK 置 1，依次循环 8 次，完成 SPI 总线 1 字节数据的输入输出。 以下是本系统软件模拟 SPI 时序的汇编代码。以通用寄存器 A 作为函数参数，实现将寄存器 A 中的数据通过 SPI 总线发送出去，并 将从 SPI 总线读到的数据存到寄存器 A 中。 3 3 2 SD 卡的初始化 SD 卡的初始化流程如图 7 所示。 SD 卡上电延时 74 个时钟周期后，单片机向 SD 卡发送复位命令 C
11、MDO，使 SD 卡进入 SPI 模式。之后循环发送激活 SD 卡指令 CMD1，直到接收到 SD 卡响应的第 0 位为 0。 8 3 3 3 SD 卡数据块的读写 完成 SD 卡的初始化后，就可以对 SD 卡进行读写操作。读写操作都是通过指令来完成的：单块写命令 CMD24，多块写命令 CMD25；单块读命令 CMD17，多块读命令 CMD18。单块读写时，数据块的长度为 512 字节，多块读写时 SD 卡收到 1 个停止命令 CMD12 后停止读写。图 8、图 9 分别是单块读、写 SD 卡的软件流程。 9 3 4 FAT16 文件读写 按照 FAT16 文件系统的文件组织规范，编写读文件函数和写文件函数。 FAT16 文件读写的软件流程如图 10 所示。 10 结 语 通过串口将本系统连接到 PC 进行测试，结果表明本系统完成了对 FAT16 文件系统下文件的读写。当采用 11 059 2 MHz 晶振时，读写速度和质量都令人满意。本系统采用 51架构的 AT89S52 单片机，实现了基于 FAT16 文件系统的读写 SD 卡设计，整套系统成本较低，在嵌入式数据记录和存储 中有广泛应用前景。
