引 言
長期以來，閃存卡(SD卡、MMC卡等)因其體積小、功耗低、容量大和非易失性等特點，在嵌入式存儲領域的應用越來越廣泛。特別是近年來，隨著閃存技術的發展，閃存卡價格不斷下降且存儲容量不斷提高。當數據采集系統需要長時間地采集和記錄海量數據時，應用SD卡作為存儲介質是很好的選擇，例如電能檢測、溫度濕度檢測、病人心肺數據記錄等。FAT16文件系統是。Microsoft公司在其MS-DOS 操作系統中采用的文件系統，具有出色的文件管理性能，能被當前大多數操作系統識別。因此，將SD卡與FAT16文件系統相結合是嵌入式數據存儲、記錄系統的理想方案，可以將采集記錄的數據直接在PC上讀取和處理。本文研究和設計了基于AT89S52單片機和FAT16文件系統的SD卡讀寫系統。
1 系統方案介紹
本系統采用MCS-51架構的AT89S52單片機。AT89S52是一種低成本、低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，具有8 KB在系統可編程Flash存儲器。應用AT89S52讀寫SD卡，首先要確定它們之間的通信方案。SD卡有2種可選的通信協議：SD模式和SPI模式。 SD模式是SD卡的標準讀寫方式，選用此模式需要選擇帶SD卡控制接口的MCU或者額外的SD卡控制單元；SPI模式通過SPI總線完成SD卡與主控制器的通信。AT89S52沒有集成SD卡控制器，為了不增加額外的SD卡控制單元硬件成本，本設計方案采用SD卡的SPI通信模式。雖然AT89S52也沒有集成SPI接口模塊，但可以用軟件的方式模擬SPI接口時序。
另外一個要解決的問題是SD卡與AT89S52的電平匹配。SD卡的邏輯電平相當于3．3 V的TTL電平標準，AT89S52的邏輯電平為5 V CMOS電平。
解決電平匹配問題的原則有2條：一為輸出電平器件輸出的高電平的最小值，應該大于接收電平器件識別為高電平的最低電壓值；另一條為輸出電平器件輸出低電平的最大電壓值，應該小于接收電平器件識別為低電平的最高電壓值。
考慮到SsD卡在SPI工作模式下，數據的傳輸都是單向的，這樣可以在單片機向SD卡傳輸數據時采用晶體管加下拉電阻的方法，基本電路如圖1所示。而在 SD卡向單片機傳輸數據時可以采用直接連接，因為它們之間的電平剛好滿足上述的電平兼容原則，既經濟又實用。這個方案需要雙電源供電，1個5 V電源，1個3．3 V電源。
2 AT89S52與SD卡接口電路設計
2．1 SD卡接口規范
SD卡工作在2．7～3．6 V電壓下，圖2是普通SD卡的結構示意圖和引腳排列圖，表1列出了各引腳在SPI模式下的定義和功能描述。主機與SD卡之間通過指令來實現交互。
2．2 接口電路設計
AT89S52內有256字節的RAM，由于SD卡數據的讀出與寫入是以塊為單位的，而每塊為512字節，所以需要在單片機的最小系統上擴展1片RAM。本系統選用的RAM芯片為HM62256，容量32KB。系統硬件電路如圖3所示。
3 軟件設計
3．1 FAT16文件系統
FAT16文件系統的存儲結構如圖4所示。
主引導記錄區(Main BootRecord，MBR)位于物理磁盤第零扇區。MBR中有硬盤分區記錄表(Disk Partition Table，DPT)，DPT記錄了各邏輯分區的相對偏移。SD卡不支持多分區，在1個SD卡中只有1個分區，因此在SD卡上的DPT只有1個分區表項被占用。系統引導記錄區(DOS Boot Record，DBR)位于磁盤邏輯分區的第0扇區，是操作系統可以訪問的第1個扇區，它其中包含1個稱為BPB(Bios Parameter Block)的本分區參數記錄表。BPB記錄著本分區的根目錄大小、FAT、個數、磁盤介質描述、分配單元大小等重要參數。
DBR之后是FAT(File Allocation Table，文件分配記錄表)，記錄文件在磁盤上的存儲位置。在Windows系統中，文件存儲的單位是簇而不是字節，1個文件不是連續地存放于磁盤的某一區域，而往往分成若干段，像鏈子一樣存放。FAT表記錄了每個文件的起始簇號、后繼簇號和終止簇號。FAT表中的每個表項對應數據存儲區中的1個簇，由于FAT表對文件管理的重要性，FAT表有1個備份。
DIR是根目錄區，緊接著第2個FAT表(FAT2)之后，記錄著根目錄下每個文件的起始簇號、大小等屬性。操作系統根據DIR中文件的起始簇號和大小，結合FAT表來定位文件。FAT16文件系統中1個文件的存儲示意圖如圖5所示。
3．2 SD卡指令規范
單片機通過相應指令與SD卡進行交互。SD卡有特定的指令格式，都是6字節長，最高有效位(MSB)傳輸優先，如圖6所示。
SD卡指令的最高2位“01”是SD卡指令的開始標志，最后1位“1”是結束標志。6位的指令是SD卡的指令序號，例如CMD17的6位指令即17的二進制表示010001。指令參數占4字節，具體內容參照SD卡規范。7位CRC校檢的生成多項式為G(x)=x7+x3+1。事實上SD卡在進入SPI模式后，不再通過CRC碼來確認指令的傳輸正確與否，指令中的7為CRC校檢，只在SD模式下起作用。因此僅SD卡上電后的第1條切換SPI模式指令CMd0 需要校檢碼，而此校檢碼是固定的0x95，其他指令的CRC均置1即可。SD卡響應有4種格式，不同指令對應不同響應，具體內容可參看SD卡規范。
3．3 SD卡讀寫驅動
3．3．1 SPI時序模擬
用軟件來模擬SPI總線的具體方法是：將SCK的初始狀態置0，允許接收后(即CS置0)將SCK置1，這樣單片機由DI線輸出1位數據到SD卡；接著再將SCK置0，單片機由DO線從SD卡讀1位數據。至此，模擬1位數據輸入輸出完成。此后再將SCK置1，依次循環8次，完成SPI總線1字節數據的輸入輸出。
以下是本系統軟件模擬SPI時序的匯編代碼。以通用寄存器A作為函數參數，實現將寄存器A中的數據通過SPI總線發送出去，并將從SPI總線讀到的數據存到寄存器A中。
3．3．2 SD卡的初始化
SD卡的初始化流程如圖7所示。SD卡上電延時74個時鐘周期后，單片機向SD卡發送復位命令CMDO，使SD卡進入SPI模式。之后循環發送激活SD卡指令CMD1，直到接收到SD卡響應的第0位為0。
3．3．3 SD卡數據塊的讀寫
完成SD卡的初始化后，就可以對SD卡進行讀寫操作。讀寫操作都是通過指令來完成的：單塊寫命令CMD24，多塊寫命令CMD25；單塊讀命令 CMD17，多塊讀命令CMD18。單塊讀寫時，數據塊的長度為512字節，多塊讀寫時SD卡收到1個停止命令CMD12后停止讀寫。圖8、圖9分別是單塊讀、寫SD卡的軟件流程。
3．4 FAT16文件讀寫
按照FAT16文件系統的文件組織規范，編寫讀文件函數和寫文件函數。FAT16文件讀寫的軟件流程如圖10所示。
結 語
通過串口將本系統連接到PC進行測試，結果表明本系統完成了對FAT16文件系統下文件的讀寫。當采用11．059 2 MHz晶振時，讀寫速度和質量都令人滿意。本系統采用51架構的AT89S52單片機，實現了基于FAT16文件系統的讀寫SD卡設計，整套系統成本較低，在嵌入式數據記錄和存儲中有廣泛應用前景。