基于MSP430和SD卡的FAT16文件系統(tǒng)的設(shè)計

隨著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、口線少、操作方便等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于各種數(shù)碼產(chǎn)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(zhì)。本研究設(shè)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?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)以Windows標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，SD卡內(nèi)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(nèi)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(fù)擔(dān)。SD卡內(nèi)部有6個信息寄存器，用來設(shè)置和保存操作卡的關(guān)鍵信息，有2個狀態(tài)寄存器，用來記錄操作卡的當(dāng)前狀態(tài)。

本設(shè)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(nèi)外設(shè)。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(guān)的特性如下[3]：

(1) 采用16位的RISC結(jié)構(gòu)，有較高的處理速度，在8MHz晶體驅(qū)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(nèi)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(nèi)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(diào)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(shè)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(dāng)前是否設(shè)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)包含分區(qū)引導(dǎo)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(dǎo)記錄通常包含4塊內(nèi)容：BIOS參數(shù)記錄塊BPB、磁盤標(biāo)志記錄簿、分區(qū)引導(dǎo)記錄代碼區(qū)及結(jié)束標(biāo)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(nèi)容示例。

在分區(qū)引導(dǎo)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(nèi)，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?zhǔn)酱鎯?。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(nèi)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(qū)動層，第2層是FAT16文件系統(tǒng)層，第3層是應(yīng)用層，提供給用戶的接口函數(shù)。

SD卡驅(qū)動層完成SD卡控制器中相應(yīng)寄存器的設(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(xì)節(jié)問題以及底層硬件的相關(guān)問題。

FAT16文件系統(tǒng)向應(yīng)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(yīng)用程序使用的主要函數(shù)接口，下面對其作詳細(xì)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(biāo)記，并把文件在FAT表中所占有的簇標(biāo)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用，證明了該方法的可行性。該文件系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)使得只需對底層驅(qū)動進行簡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(yīng)用到如MP3等與Windows有交互的移動存儲設(shè)備中，便于文件的統(tǒng)一管理。