大容量SD卡在海洋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的應(yīng)用

本設(shè)計(jì)使用8 GB的SDHC(High Capacity SD Memory Card，大容量SD存儲(chǔ)卡)，為了方便卡上數(shù)據(jù)在操作系統(tǒng)上的讀取，以及數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析和處理，在SDHC卡上建立了FAT32文件系統(tǒng)。

海洋要素測量系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、安全性高，采用可插拔式存儲(chǔ)卡是一種不錯(cuò)的選擇。目前，可插拔式存儲(chǔ)卡有CF卡、U盤及SD卡。CF卡不能與計(jì)算機(jī)直接通信；U盤需要外擴(kuò)接口芯片才能與單片機(jī)通信，增加了外形尺寸及功耗；而SD卡具有耐用、可靠、安全、容量大、體積小、便于攜帶和兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，非常適合于測量系統(tǒng)長期的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

1 SD卡接口的硬件設(shè)計(jì)

STM32F103xx增強(qiáng)型系列是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3的高性能的32位RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(128 KB的閃存和20 KB的SRAM)，以及豐富的增強(qiáng)I／O端口和連接到2條APB總線的外設(shè)。STM32F103xx系列工作于-40～+105℃的溫度范圍，供電電壓為2.0～3.6 V，與SD卡工作電壓兼容，一系列的省電模式可滿足低功耗應(yīng)用的要求。

SD卡支持SD模式和SPI模式兩種通信方式。采用SPI模式時(shí)，占用較少的I／O資源。STM32F103VB包含串行外設(shè)SPI接口，可方便地與SD卡進(jìn)行連接。通過4條信號(hào)線即可完成數(shù)據(jù)的傳輸，分別是時(shí)鐘SCLK、主機(jī)輸入從機(jī)輸出MISO、主機(jī)輸出從機(jī)輸入MOSI和片選CS。STM32F103VB與SD卡卡座的接口電路如圖1所示。



SD卡的最高數(shù)據(jù)讀寫速度為10 MB／s，接口電壓為2.7～3.6 V，具有9個(gè)引腳。SD卡使用卡座代替?zhèn)鬏旊娎|，減少了環(huán)境干擾，降低了出錯(cuò)率，而且1對(duì)1傳輸沒有共享信道的問題。SD卡在SPI模式下各引腳的定義如表1所列。



2 SD卡接口的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STM32F103VB自帶的串行外設(shè)SPI接口與SD卡進(jìn)行通信，這里只介紹SPI模式的通信方式。

2.1SD卡的讀寫

先對(duì)STM32F103VB的SPI_CRl(SPI控制寄存器)以及SPI_SR(SPI狀態(tài)寄存器)進(jìn)行初始化設(shè)置，使能SPI并使用主機(jī)模式；同時(shí)設(shè)置好時(shí)鐘，在時(shí)鐘上升沿鎖存數(shù)據(jù)。SPI通道傳輸?shù)幕締挝皇亲止?jié)，由STM32F103VB控制其和SD卡之間的所有通信。

要讀寫SD卡，首先要對(duì)其進(jìn)行初始化。初始化成功后，即可通過發(fā)送相應(yīng)的讀寫命令對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫。SD卡的讀寫流程如圖2所示。



2.2 SD1.x與SD2.0標(biāo)準(zhǔn)的識(shí)別

由于大容量SDHC的出現(xiàn)，SD1.x滿足不了SDHC的容量要求，標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)升級(jí)為SD2.0。但也因此出現(xiàn)了許多電子設(shè)備無法驅(qū)動(dòng)大容量SD卡的情況，如何識(shí)別SD1.x與SD2.0就顯得尤為重要。SD2.0的SPI模式初始化流程如圖3所示。



判斷是否為SD2.0卡，CMD8(SD2.0新增的命令)是關(guān)鍵。若卡是SD2.0，則發(fā)送CMD8將會(huì)返回有效響應(yīng)；若是SD1.x，則返回非法響應(yīng)，這樣就可以識(shí)別SD卡的類型。

SD1.x與SD2.0的最大不同在于命令地址的表示。SD1.x的地址單位是字節(jié)，而SD2.0的地址單位是扇區(qū)，地址仍然采用32位4個(gè)字節(jié)來表示。因此在讀寫操作時(shí)應(yīng)該根據(jù)不同的卡對(duì)地址進(jìn)行相應(yīng)的處理，若是SD1.x則寫入字節(jié)地址，若為SD2.0則寫入扇區(qū)地址。

3 FAT32文件系統(tǒng)

目前有3種FAT文件系統(tǒng)：FAT12、FAT16和FAT32。它們的區(qū)別在于文件分配表(File Allocation Table，F(xiàn)AT)中每一表項(xiàng)的大小(也就是所占的位數(shù))：FAT12為12位，F(xiàn)ATl6為16位，F(xiàn)AT32為32位。本設(shè)計(jì)選擇FAT32文件系統(tǒng)。

由于文件存儲(chǔ)在硬盤上占用的存儲(chǔ)器空間以簇為最小單位，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)不適合管理容量低于512 MB的存儲(chǔ)器。簇如果太大，存儲(chǔ)小文件會(huì)浪費(fèi)大量的存儲(chǔ)空間；如果太小，F(xiàn)AT表會(huì)變大，不方便管理。綜合考慮，F(xiàn)AT32每簇大小為4 KB。

3.1FAT32文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FAT32文件系統(tǒng)可以分為以下幾部分；保留區(qū)(reserved region)，存放FAT文件系統(tǒng)的重要參數(shù)和引導(dǎo)程序；FAT區(qū)(FAT region)，記錄簇(cluster)的使用情況；根目錄區(qū)(root directory region)，記錄根目錄信息，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)舍棄了這個(gè)區(qū)，根目錄區(qū)可以指定為任意一個(gè)簇；文件目錄數(shù)據(jù)區(qū)(file and directory data region)，是各種文件數(shù)據(jù)實(shí)際存放的區(qū)域。

保留區(qū)中的BPB表從扇區(qū)0偏移11個(gè)字節(jié)開始，共占25字節(jié)。表2是格式化為FAT32文件系統(tǒng)的8 GBSD卡首扇區(qū)中讀出的BPB參數(shù)內(nèi)容。



在保留區(qū)之后是FAT區(qū)，存有文件分配表。一般文件系統(tǒng)中有2份文件分配表FAT1和FAT2，每份FAT表占用空間的大小可從BPB表中查得。

由于采用的是SDHC卡和FAT32文件系統(tǒng)，緊接在FAT區(qū)之后的是文件目錄數(shù)據(jù)區(qū)，真正意義上的數(shù)據(jù)從這個(gè)區(qū)開始，以簇編號(hào)，順序上第1個(gè)簇編號(hào)為第2簇，此簇通常為FAT32根目錄所用。FAT16從根目錄所占的32個(gè)扇區(qū)之后的第一個(gè)扇區(qū)開始以簇為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這之前仍以扇區(qū)為單位。目錄與數(shù)據(jù)是統(tǒng)一放到這個(gè)區(qū)域的，并且都不是在一個(gè)連續(xù)的區(qū)域內(nèi)存放。沒有任何特殊標(biāo)記來區(qū)分哪個(gè)簇是目錄項(xiàng)，哪個(gè)簇是數(shù)據(jù)項(xiàng)，而是由文件系統(tǒng)從根目錄出發(fā)通過查找的方法來確定簇的類型。

3.2 FAT32文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的文件系統(tǒng)采用模塊化層次結(jié)構(gòu)，其總體框架如圖4所示。其中，箭頭表示調(diào)用關(guān)系。



應(yīng)用程序是面向用戶的，為滿足某種功能需求而編寫的程序。可以通過調(diào)用文件系統(tǒng)提供的API函數(shù)對(duì)文件和目錄進(jìn)行相應(yīng)的操作。

文件管理和目錄管理模塊是直接與應(yīng)用程序接口的模塊，位于整個(gè)文件系統(tǒng)的最高層。文件管理模塊提供所有與文件操作相關(guān)的函數(shù)，目錄管理模塊提供所有與目錄操作相關(guān)的函數(shù)。在對(duì)文件操作的大多數(shù)情況下，文件管理模塊需要調(diào)用目錄管理模塊的相關(guān)功能。

文件分配表管理模塊主要用來對(duì)文件系統(tǒng)的FAT表進(jìn)行管理，根據(jù)系統(tǒng)的請(qǐng)求對(duì)FAT表的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)的修改。文件目錄表管理模塊主要提供對(duì)文件和目錄的基本屬性信息的管理。這兩個(gè)模塊管理著文件系統(tǒng)的兩個(gè)重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用程序不能直接調(diào)用它們。

緩存模塊是為了降低系統(tǒng)訪問SD卡的次數(shù)，提高整個(gè)系統(tǒng)的處理速度而加入的。它使用了部分RAM作為緩存來保存一些訪問過的扇區(qū)的數(shù)據(jù)，一般用來加載FAT表和FDT表的數(shù)據(jù)；向SD卡寫入數(shù)據(jù)時(shí)，也需要用它加載數(shù)據(jù)。

以上幾個(gè)模塊的操作都建立在底層驅(qū)動(dòng)程序上。底層驅(qū)動(dòng)程序主要是向SD卡讀寫某個(gè)扇區(qū)的程序。

文件分配表管理模塊包含幾個(gè)處理簇鏈的函數(shù)，如獲取指定簇下一簇簇號(hào)(fat_next_clus())、建立簇與指定簇的鏈接關(guān)系(fat_link_clus())、在簇后增加一個(gè)空白簇到簇鏈中(fat_add_clus())和刪除指定簇的簇鏈(fat_del_clus_chain())。文件目錄表管理模塊包含幾個(gè)處理文件登記項(xiàng)的函數(shù)，如在給定目錄下查找文件(fat_find_fdt())、在給定目錄下添加文件(fat_add_fdt())和在給定目錄下刪除文件(fat_delete_fdt())。目錄管理模塊主要是實(shí)現(xiàn)建立、刪除目錄的操作，包含的函數(shù)有根據(jù)路徑查找目錄所在簇(fat_open_dir())、建立目錄(fat_make_dir())和刪除目錄(fat_del_dir())。用戶使用文件系統(tǒng)主要是對(duì)文件的操作，文件管理模塊提供了對(duì)文件的創(chuàng)建、修改和刪除等操作，包含函數(shù)新建文件(file_create())、打開文件(file_open())、讀寫指針設(shè)定(file_seek())、讀取文件數(shù)據(jù)(file_read())、寫入文件數(shù)據(jù)(file_write())、刪除文件(file_delete())和關(guān)閉文件(file_close())。

結(jié)語

本文介紹了SD卡在海洋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中的應(yīng)用，使用高性能的STM32F103xx系列處理器提高了SD卡的數(shù)據(jù)讀寫速率，很好地解決了海洋數(shù)據(jù)采集中的大容量存儲(chǔ)問題和SDl.x與SD2.0的識(shí)別問題，并給出了適用于SD卡的FAT32文件系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置及其實(shí)現(xiàn)方法。