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摘要：串行SPI通信協(xié)議是一種標準的通信協(xié)議。本文首先簡要介紹了SPI總線模式,然后闡述了單片機在SPI協(xié)議下與SD卡硬件接口電路,以及軟件模擬的SPI總線數(shù)據(jù)傳輸,最后給出了具體實現(xiàn)SD卡的初始化、FAT32文件系統(tǒng)的管理和寫操作的軟件流程。
0 引言
SD卡英文全稱為Secure DIGITAL Memory Card，其以FLASH Memory為存儲體，具備體積 小、容量大、功耗低、可擦寫以及非易失性等特點，在需要長時間地采集、記錄海量數(shù)據(jù)時， 以SD卡作為存儲媒質(zhì)是一種很好的選擇。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
1.1 SPI總線
SPI是一種串行總線接口，主要通過三根線進行數(shù)據(jù)傳輸：同步時鐘線SCK，主/從機輸 出線MISO、主/從機輸入線MOSI，還有一條低電平有效的從機片選線CS。SPI系統(tǒng)的片選信號 以及同步時鐘脈沖由主機提供。SPI模式通過四條線就可以完成所有的數(shù)據(jù)交換，傳輸協(xié)議 簡單，采用SPI模式對SD卡進行讀寫操作可大大簡化硬件電路的設(shè)計。 SPI消息由指令、回應(yīng)和數(shù)據(jù)塊組成，所有的操作均由主設(shè)備控制。
SPI接口有0、1、2 和 3共四種操作模式。SPI操作模式?jīng)Q定了設(shè)備接收和發(fā)送數(shù)據(jù)時的時鐘相位和極性，即決定了 時鐘信號的上升和下降沿與數(shù)據(jù)流動方向之間的關(guān)系，如圖1所示。本設(shè)計采用模式3。
1.2 硬件電路設(shè)計
MCU采用的是ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS8位單片機AT89S51，內(nèi)含4K字節(jié)的可 反復(fù)擦寫的ROM存儲器和128字節(jié)的RAM存儲器。由于SD卡的數(shù)據(jù)寫入是以塊為單位，每塊為 512字節(jié)，所以在單片機最小系統(tǒng)上增加一片RAM。本系統(tǒng)中RAM選用存儲器芯片AT24C64，容 量為64K位。
對于不帶SPI串行總線接口的單片機來說，可以使用軟件來模擬SPI的操作，包括串行時 鐘、數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出。對于不同的串行接口外圍芯片，它們的時鐘時序是不同的。對于 在SCK的上升沿輸入（接收）數(shù)據(jù)和在下降沿輸出（發(fā)送）數(shù)據(jù)的器件，一般應(yīng)將其串行時 鐘輸出口P1.1的初始狀態(tài)設(shè)置為1，而在允許接口后再置P1.1為0。這樣，MCU在輸出1位SCK 時鐘的同時，將使接口芯片串行左移，從而輸出1位數(shù)據(jù)至單片機的P1.3口（模擬MCU的MISO 線），此后再置P1.1為1，使單片機從P1.0（模擬MCU的MOSI線）輸出1位數(shù)據(jù)（先為高位）至 串行接口芯片。至此，模擬1位數(shù)據(jù)輸入輸出便宣告完成。此后再置P1.1為0，模擬下1位數(shù) 據(jù)的輸入輸出……，依此循環(huán)8次，即可完成1次通過SPI總線傳輸8位數(shù)據(jù)的操作。對于在SCK 的下降沿輸入數(shù)據(jù)和上升沿輸出數(shù)據(jù)的器件，則應(yīng)取串行時鐘輸出的初始狀態(tài)為0，即在接 口芯片允許時，先置P1.1為1，以便外圍接口芯片輸出1位數(shù)據(jù)（MCU接收1位數(shù)據(jù)），之后再 置時鐘為0，使外圍接口芯片接收1位數(shù)據(jù)（MCU發(fā)送1位數(shù)據(jù)），從而完成1位數(shù)據(jù)的傳送。
為解決電平匹配問題，在MCU和SD卡數(shù)據(jù)傳輸之間加了光電耦合器，其抗干擾性能和隔 離性能比較好，由它構(gòu)成的邏輯電路更可靠。硬件電路連接如圖2所示。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
2.1 SD卡初始化
在SD卡上電復(fù)位后，SD卡控制器在向SD卡發(fā)送任何命令之前，應(yīng)向SD卡發(fā)送至少74個時 鐘周期，以等待SD卡完成上電復(fù)位過程，而且此時控制器應(yīng)將片選信號線置高。在上電復(fù)位 完成后，將片選信號線CS置低，即選中SD卡，且發(fā)送軟件復(fù)位指令(CMD0)，SD卡即可進入SPI 模式，并且處于空閑狀態(tài)。若要對SD卡實現(xiàn)讀寫操作，單片機應(yīng)持續(xù)發(fā)送激活指令CMD1，直 到收到SD卡正確的響應(yīng)數(shù)據(jù)0x00，表明SD卡已經(jīng)退出空閑狀態(tài)，可以對SD卡寄存器進行讀／ 寫以及實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸操作。
2.2 FAT32文件系統(tǒng)
FAT32文件系統(tǒng)突破了磁盤管理空間2G的界限，能夠管理更大的磁盤空間。SD卡上的 FAT32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、文件目錄表以及數(shù)據(jù)區(qū)4個部分。
分區(qū)引導(dǎo)記錄保存著與文件分配表系統(tǒng)有關(guān)的基本輸入、輸出系統(tǒng)參數(shù)分配表(biosparameter block，BPB)。它主要記錄文件分配表各個部分的起始扇區(qū)以及占用扇區(qū)的數(shù)目， 根目錄大小和簇的大小等重要信息。 在分區(qū)引導(dǎo)記錄之后是FAT（File Allocation Table，文件分配表）區(qū)。FAT32的文件 系統(tǒng)中有兩份完全相同的文件分配表FATl和FAT2，每份FAT表占用空間的大小可從BIOS參數(shù) 記錄塊中查得。
來源：維庫開發(fā)網(wǎng)
