基于AT89S52和FAT16的SD卡读写系统设计

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。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3．3 V电源。

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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。

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。

3 软件设计
3．1 FAT16文件系统
    FAT16文件系统的存储结构如图4所示。

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   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)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。

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)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。

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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CMDO，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。

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。

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。

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。