摘 要： 介紹了在嵌入式系統中一種基于SPI協議實現對SD卡的擴展方法，結合FatFs文件系統，使小型嵌入式系統也能容易、方便地擴展大容量存儲器。并在STM32上成功移植，打開SD卡中TXT文本，并通過串口輸出文本中的內容。
關鍵詞： 嵌入式系統；SPI協議；SD卡；FatFs文件系統；移植
0 引言
近年來，在各種嵌入式系統設計中，對大量數據的存儲需求越來越高，例如音樂、圖片以及經過A/D轉換后得到的大量實時數據的存儲。SD卡是一種基于 Flash 的新一代存儲器，具有體積小、容量大、數據傳輸快、移動靈活、安全性能好等優點，是許多便攜式電子儀器理想的外部存儲介質選擇。MCU可以通過SD模式或者SPI模式訪問SD卡，具備串行通信和隨機存取的能力，這很適合SD卡與單片機之間的互連和通信[1]。雖然只有少數高檔的單片機才提供SD卡接口，但幾乎所有單片機都支持SPI通信。本文著重介紹基于SPI協議擴展SD卡，并結合FatFs Module完成文件系統的設計。
FatFs是針對小型嵌入式系統的一種通用的FAT文件系統模塊，由標準C語言編寫，并且完全與磁盤I/O層相獨立。所以，對于8051、AVR、PIC、Z80、ARM等MCU，只需要修改文件系統中很少的一部分，FatFs就可以被應用到基于這些低成本MCU的控制系統中。
1 MCU與SD卡接口的設計
SD卡只能兼容3.3 V的I/O電平，所以要求MCU能夠支持3.3 V的I/O端口輸出，或者提供電平轉換電路，否則很容易損壞SD卡。本文提供一種5 V和3.3 V電平間的轉換電路，如圖1和圖2分別是3.3 V轉5 V電路和5 V轉3.3 V的電路。在SPI模式下，CS/MOSI/MISO/CLK都需要加10 kΩ~100 kΩ左右的上拉電阻，如圖3所示SD卡接口連接圖[2]中R0，R1，R2，R3為4個上拉電阻。
2 SPI協議的介紹
SD卡協議包含如圖4[3]所示3個基本函數層次。其中SPI模式基礎層主要包括產生片選信號函數、SD卡在SPI模式時的初始化函數、單字節讀/寫函數、雙字節讀/寫函數等底層函數的封裝。SPI模式中間層主要包括對SD卡命令的寫函數、數據讀取函數、響應的讀寫等函數。SD卡的API層主要包括對各種類型SD卡的初始化、SD卡扇區的讀/寫函數、SD卡的信息（容量、廠家等）讀取等具有具體功能的應用函數。
3 SD卡的初始化
SD卡在上電后默認工作在SD模式狀態，所以要連續發送大于74個最大頻率不超過400 kHz的CLK時鐘來完成與SD卡時鐘的同步，之后開始CMD0的操作，直到CS為有效電平（低電平）SPI模式就被啟用了。接下來按照圖5所示初始化流程來完成SD卡的初始化工作。通過SD卡的初始化，可以識別出插入卡槽中SD卡的類型（MMC、V1、V2或者V2HC），然后就可以開始對SD卡進行數據讀寫操作。
4 FatFs介紹
FatFs模塊的層次如圖6所示，其中應用層主要是由FatFs模塊提供給MCU的一系列具有獨立操作功能的接口函數，而用戶無需了解FatFs模塊的內部結構和FAT文件系統協議，MCU只需要調用其中的API接口函數就可以完成在PC機上讀/寫文件操作。
FatFs模塊主要實現FAT協議。使用時，直接將FatFs模塊提供的ff.c和ff.h文件包含到程序中，除非有必要，一般不用修改就可使用。
最底層包括用戶移植代碼，需要根據不同MCU，編寫存儲媒介的讀/寫接口函數和供給文件創建修改時的實時時鐘函數。
5 程序移植
移植 FatFs 主要分為三步：
(1) 數據類型：在 integer.h 中定義好數據的類型。這里需要了解所使用的編譯器和MCU的數據類型，并定義好數據類型，基本上不需要修改。
(2) 配置：打開 ffconf.h文件，根據對文件操作功能的需求，分別對宏定義設置文件系統的定義配置，以裁剪不必要的API操作函數。如表1配置API函數表所示，其中標有“X”的選項函數即被裁剪掉。例如，_FS_READONLY設為0時，FatFs為讀/寫文件系統；設為1時，系統為只讀，在宏匯編中裁剪掉與寫操作相關的函數。_FS_MINIMIZE，選擇性裁剪API函數。_USE_STRFUNC，選擇性裁剪與字符操作相關的API函數。_USE_MKFS設為1時，結合_FS_READONLY為1來使能API函數f_mkfs(),在驅動器上創建文件系統。_USE_FASTSEEK,設為1，使能快速搜索特性。_USE_LABEL設為1，啟用磁盤卷標功能。_USE_FORWARD設為1時，結合_FS_TINY為1，使能f_forward()函數，讀取文件數據轉移到數據流設備。_CODE_PAGE指定在目標系統上使用的OEM代碼頁，例如，設936為簡體中文。_FS_RPATH用于配置相對路徑的功能。
(3) 函數編寫：打開diskio.c進行底層驅動編寫，實際上需要編寫6個接口函數，如圖7中diskio結構圖所示[4]。其中前5個接口函數與MCU底層I/O接口相關，而get_fattime()與系統的RTC時鐘相關。
①DSTATUS disk_initialize(BYZE Drive)：函數初始化邏輯驅動器,為對SD卡讀/寫做準備，函數成功時，其返回值的STA_NOINIT標志位被清零，Drive是指定邏輯驅動器號。應用程序在操作時不應直接調用此函數，而是調用FatFs模塊中提供的API函數，如f_mount。
②DSTATUS disk_status(BYTE Drive)：返回磁盤驅動器的當前狀態。Drive是指定邏輯驅動器號，不調用此函數的情況下，函數體內可以直接返回0。
③DRESULT disk_read(BYTE Drive，BYTE* Buffer,DWORD SectorNumber，BYTE SectorCount)：從磁盤驅動器的扇區上讀取數據。Drive是指定邏輯驅動器號，Buffer為指向存儲讀取數據的數組的指針，SectorNumber為開始讀取的扇區號，SectorCount為需要讀取的扇區數，函數成功后返回0。
④DRESULT disk_write(BYTE Drive,const BYTE* Buffer，DWORD SectorNumber，BYTE SectorCount)：向磁盤驅動器的扇區寫入數據。Drive是指定邏輯驅動器號，Buffer為指向寫入操作的數據字節數組的指針，SectorNumber為開始寫入的扇區號，SectorCount為需要寫入的扇區數，函數成功后返回0。
⑤DRESULT disk_ioctl(BYTE Drive，BYTE Command，void* Buffer)：存儲媒介控制函數。Drive是指定邏輯驅動器號，Command是指定的命令代碼，Buffer是指向參數緩沖區的指針，函數成功后返回0。
⑥DWORD get_fattime(void)：獲取當前時間。返回一個32位無符號整數，代表的時鐘信息如表2所示[5]。在簡單使用時，可以令該函數直接返回一個固定的常數。
6 結束語
本文簡述了一種免費開源的FatFs文件系統基于SPI模式下，使各種小型嵌入式系統能夠擴展、管理SD卡這種大容量存儲器，并在STM32上成功移植，效果演示圖如圖8所示，讀出SD卡中TEXT文件夾下的“liuqiang.txt”文件里的內容等信息，并通過串口打印出來。
參考文獻
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[4] 張洪濤，莫文承，李兵兵. 基于SPI協議的 SD卡讀寫機制與實現方法[J]. 電子元器件應用，2008( 3):42-43，47.
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