基于SD卡的FAT32文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李敏++侯亞玲++劉穎

摘 要：為解決嵌入式系統(tǒng)中便攜式存儲(chǔ)設(shè)備的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題，并便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、讀取及分析，系統(tǒng)采用具備SD卡插座的Cortex M3處理器平臺(tái)，分析了SD卡的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，并按照FAT32文件系統(tǒng)規(guī)范進(jìn)行文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)使用c語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)，通過(guò)系統(tǒng)采集實(shí)時(shí)溫度，并將數(shù)據(jù)按照一定的格式規(guī)范存儲(chǔ)在SD卡的文件中；通過(guò)讀取SD卡進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢、讀取。經(jīng)反復(fù)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及讀取都很可靠，且軟件便于移植，可應(yīng)用于大容量數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：SD卡；FAT32文件系統(tǒng)；SPI；ds18b20

中圖分類號(hào)：TP39；TN915.41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）07-00-03

0 引 言

隨著嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，很多嵌入式系統(tǒng)都需要大容量的存儲(chǔ)設(shè)備，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。而當(dāng)前，常用的存儲(chǔ)設(shè)備有U盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)、Flash芯片、SD卡等，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。綜合考慮在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的性價(jià)比、功耗及體積等要求時(shí)，SD卡無(wú)疑是一個(gè)非常好的選擇。隨著存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展，其容量也越來(lái)越大，可以達(dá)到32 G以上，且支持SPI接口，同時(shí)SD卡有幾種不同的體積可供選擇，可滿足不同的設(shè)計(jì)及應(yīng)用要求。

具備SPI接口的嵌入式系統(tǒng)只需4個(gè)I/O接口就可以擴(kuò)展達(dá)32 G以上的外部存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)容量不等，設(shè)備更換方便，程序在不同的設(shè)備上移植也更簡(jiǎn)單?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，SD卡在嵌入式市場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用，成為存儲(chǔ)設(shè)備的首選。然而SD卡中的數(shù)據(jù)以塊的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，不便于數(shù)據(jù)的組織管理，為了能夠在PC端有效的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、管理、查詢及讀取，需要對(duì)SD卡進(jìn)行文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。一般而言，PC端可直接對(duì)其進(jìn)行格式化后直接使用，而在嵌入式系統(tǒng)中，需要設(shè)計(jì)FAT文件系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。

1 SD卡驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

SPI有9個(gè)引腳，支持兩種操作模式，即SD卡模式（SDIO通信）和SPI模式[1]。SD卡模式允許4線的高速數(shù)據(jù)傳輸模式，但需要MCU帶SD卡控制器，設(shè)計(jì)中會(huì)增加產(chǎn)品的硬件成本；SPI模式通過(guò)SPI總線接口與SD卡通信。

設(shè)計(jì)中采用的MCU為Cortex M3，它是一種低功耗、內(nèi)核架構(gòu)為ARM7的控制器，自帶SPI控制器。處理器平臺(tái)SD卡硬件連接電路均已完成，采用SPI連接方式。

系統(tǒng)使用SPI模式。系統(tǒng)上電后，設(shè)置SD卡模式轉(zhuǎn)換為SPI模式。在SD卡收到復(fù)位命令（CMO）時(shí)，CS引腳被拉低，進(jìn)入SPI模式。上電后，因?yàn)镾D卡內(nèi)部供電電壓上升時(shí)間需要大約64個(gè)CLK，還需要10個(gè)CLK用于SD卡同步，在發(fā)送CMO指令前，發(fā)送至少74個(gè)系統(tǒng)CLK，初始化時(shí)，CLK最大不得超過(guò)400 kHz。

通過(guò)SD卡初始化就可以知道SD卡的類型，讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。SD卡讀取數(shù)據(jù)通過(guò) CMD17實(shí)現(xiàn)，具體過(guò)程如下：

（1）發(fā)送 CMD17；

（2）接收卡響應(yīng) R1；

（3）接收數(shù)據(jù)起始令牌 0XFE；

（4）接收數(shù)據(jù)；

（5）接收 2 個(gè)字節(jié)的 CRC，如果不使用CRC，這兩個(gè)字節(jié)在讀取后可以丟掉。

（6）禁止片選之后發(fā)送8個(gè)CLK；

SD卡的寫(xiě)和讀數(shù)據(jù)過(guò)程基本相同，寫(xiě)數(shù)據(jù)通過(guò)CMD24實(shí)現(xiàn)[2]，具體過(guò)程如下：

（1）發(fā)送CMD24；

（2）接收卡響應(yīng)R1；

（3）發(fā)送寫(xiě)數(shù)據(jù)起始令牌0XFE；

（4）發(fā)送數(shù)據(jù)；

（5）發(fā)送2 B的偽CRC；

（6）禁止片選之后多發(fā)8個(gè)CLK。

2 FAT32文件系統(tǒng)介紹

為了有效管理寫(xiě)入SD卡的數(shù)據(jù)，使SD卡在PC機(jī)端能夠被有效訪問(wèn)，必須將SD卡中的數(shù)據(jù)以文件形式存儲(chǔ)，需要在SD卡中創(chuàng)建常用的文件系統(tǒng)。目前，SD卡的容量越來(lái)越大，因此設(shè)計(jì)中采用FAT32文件系統(tǒng)。

在設(shè)計(jì)中使用了FATFS，它是一種開(kāi)源免費(fèi)且專用于小型嵌入式系統(tǒng)的文件系統(tǒng)模塊，硬件獨(dú)立性強(qiáng)，是Windows系統(tǒng)兼容的文件系統(tǒng)格式，其代碼特點(diǎn)與平臺(tái)無(wú)關(guān)，支持長(zhǎng)文件名、多種大小的扇區(qū)[3]。基于此特點(diǎn)，F(xiàn)ATFS的使用非常廣泛，其層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

應(yīng)用層用戶只需調(diào)用FATFS模塊提供給用戶接口函數(shù)，就可在PC機(jī)上對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫(xiě)操作[4]。中間層FATFS模塊實(shí)現(xiàn)了FAT文件的讀/寫(xiě)協(xié)議，使用中一般不做修改，可直接將相關(guān)頭文件包含在應(yīng)用程序中。編寫(xiě)移植代碼的是FATFS模塊提供的底層接口，包括存儲(chǔ)媒介讀/寫(xiě)接口以及提供文件創(chuàng)建修改時(shí)間的實(shí)時(shí)時(shí)鐘。在FATFS源碼包中，需要修改的是與平臺(tái)相關(guān)的代碼diskio.c，即FATFS和disk I/O模塊接口層文件[5]。

FATFS模塊在移植時(shí)，只需修改2個(gè)文件，即ffconf.h 和 diskio.c。FATFS模塊的所有配置項(xiàng)都存放在ffconf.h中，可以通過(guò)配置一些選項(xiàng)來(lái)滿足設(shè)計(jì)的需求。對(duì)于SD卡的一些操作特性，可修改ffconf.h中的宏定義來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如宏_FS_READONLY將其設(shè)置為0，即表示對(duì)SD卡進(jìn)行讀寫(xiě)權(quán)限的操作，_USE_MKFS為1表示使能SD卡的格式化操作等。

FATFS的移植主要分為3個(gè)步驟：

（1）在 integer.h 里定義好數(shù)據(jù)的類型；

（2）根據(jù)對(duì)SD卡的功能需要，通過(guò) ffconf.h配置FATFS的相關(guān)功能；

（3）函數(shù)編寫(xiě)：打開(kāi) diskio.c以進(jìn)行底層驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)，實(shí)現(xiàn) 6個(gè)接口函數(shù)的編寫(xiě)，如圖2所示。

通過(guò)上述步驟就可以完成FATFS的移植。

3 FAT32文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FAT32文件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括以下步驟：

（1）程序初始化。定義兩個(gè)結(jié)構(gòu)體變量，其類型分別為DIR與FILINFO[6]。其中，DIR結(jié)構(gòu)體表示文件夾目錄相關(guān)信息，例如文件夾cewen，文件夾下有文件wendu1.txt，wendu2.txt，wendu3.txt以及文件夾cw。DIR用來(lái)存儲(chǔ)LM、limin的目錄信息，F(xiàn)ILINFO用來(lái)存儲(chǔ)limin1.txt，limin2.txt，limin3.txt。

DIR cewendir；//臨時(shí)目錄信息

FILE fileinfo；//臨時(shí)文件信息

（2）程序初始化中要初始化內(nèi)存，因?yàn)槲募畔⒎峙涞膬?nèi)存空間大，一般存儲(chǔ)在內(nèi)部RAM中，也可存放在外部RAM中。先初始化內(nèi)存，再申請(qǐng)fata所用到的變量分配內(nèi)存空間。

mem_init（SRAMIN）；//初始化內(nèi)部?jī)?nèi)存池

exfuns_init（ ）；//為FATFS相關(guān)變量申請(qǐng)內(nèi)存[7]

（3）掛載SD卡。只有掛載了SD卡，才能使用，即尋找是否存在。

f_mount（0，fs[0]）；//掛載SD卡

（4）打開(kāi)SD卡下的文件夾，函數(shù)為FRESULT f_opendir （DIR *dj，/* 指向一個(gè)空白的結(jié)構(gòu)體，用來(lái)存儲(chǔ)要打開(kāi)的文件信息，用到初始化定義的DIR型變量*/const TCHAR *path /*指向文件夾名稱的指針，即打開(kāi)文件的路徑 */）。函數(shù)返回0 ，表示打開(kāi)文件成功，否則表示打開(kāi)失敗[8]。

res=f_opendir （ &cewen， "0：/"）； //打開(kāi) 0：/cewen文件夾，文件夾的信息保存在結(jié)構(gòu)體cewendir變量中，res為0，打開(kāi)成功

（5）讀取文件信息。在讀取文件信息之前，先要申請(qǐng)相關(guān)變量信息的內(nèi)存。

fileinfo.lfsize=_MAX_LFN*2+1； //長(zhǎng)文件名最大長(zhǎng)度

fileinfo.lfname=mymalloc（SRAMIN，fileinfo.lfsize）；//為長(zhǎng)文件緩存區(qū)分配內(nèi)存

（6）只有成功打開(kāi)文件夾，才能讀取或更改文件夾下的文件，與Windows系統(tǒng)下的使用原理一樣。判斷通過(guò)res進(jìn)行，即if（res==FR_OK）{讀取文件夾}

（7）讀取文件夾函數(shù)為：FRESULT f_readdir （DIR *dj，/*指向讀取的文件夾信息結(jié)構(gòu)體的指針，打開(kāi)文件夾后，文件夾的信息已存入信息結(jié)構(gòu)體 */FILINFO *fno，/* 指向文件信息結(jié)構(gòu)體，用來(lái)存儲(chǔ)讀取到的文件信息*/）。重復(fù)調(diào)用此函數(shù)可讀取文件夾內(nèi)的所有文件，當(dāng)所有的文件讀取結(jié)束后[9]，函數(shù)返回一個(gè)空字符串到f_name[ ]中（文件信息結(jié)構(gòu)體中的一個(gè)變量，存放名稱）

if（res==FR_OK） {while（1）{res = f_readdir（&lmdir，&fileinfo）；//遍歷文件

if（res！=FR_OK || fileinfo.fname[0]==0）

{ Show_Str（60，130，200，16，"出錯(cuò)了"，16，0）；break；}//讀取出錯(cuò)或遍歷結(jié)束，則退出

fn=（u8*）（*fileinfo.lfname？fileinfo.lfname：fileinfo.fname）； printf（fn）；//輸出文件名} }

以上步驟是對(duì)于文件夾及文件的操作，以下步驟為文件的讀寫(xiě)操作：

（1）打開(kāi)或新建一個(gè)文件（返回值為0則成功）。

FRESULT f_open （

FIL *fp，/* 指向一個(gè)用來(lái)存儲(chǔ)文件對(duì)象的空結(jié)構(gòu)體指針*/

const TCHAR *path， /* 指向文件名的指針，即路徑*/

BYTE mode /* 讀取方式*/

）

讀取方式的使用：

FA_READ讀模式（讀寫(xiě)同時(shí)生效）

FA_WRITE寫(xiě)模式（讀寫(xiě)同時(shí)生效）

FA_OPEN_EXISTING默認(rèn)打開(kāi)方式

FA_OPEN_ALWAYS打開(kāi)文件，如果不存在，則建立一個(gè)新文件；用此種方式可以用f_lseek在文件后追加數(shù)據(jù)。

FA_CREATE_NEW新建文件，如果文件已存在，則新建失敗

FA_CREATE_ALWAYS新建文件，如果文件已存在，覆蓋舊文件。

新建一個(gè)文件：

res=f_open（&fsrc，"0：/dongman.txt"，F(xiàn)A_OPEN_ALWAYS）； //打開(kāi)，新建文件測(cè)試

if（res==FR_OK）

{

POINT_COLOR=0x2299； Show_Str（60，170，200，16，"新建文件成功！"，16，0）；}

f_close（&fsrc）；

（2）讀取文件（讀取成功返回0）。

FRESULT f_read （

FIL *fp/* 指向文件對(duì)象結(jié)構(gòu)體指針*/

void *buff/* 指向存儲(chǔ)讀取到的數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)的指針 */

UINT btr/* 準(zhǔn)備讀取的字節(jié)數(shù) */

UINT *br /* 讀取到的字節(jié)數(shù) */

）

f_read函數(shù)執(zhí)行完后，*br值用來(lái)存放讀取到的字節(jié)數(shù)，br

res=f_open（&fsrc，"0：/limin2.txt"，F(xiàn)A_READ）； // 打開(kāi)，新建文件測(cè)試

if（res==FR_OK）

{

USART1_SendStr（"文件內(nèi)容："）；

USART1_SendStr（"＼r＼n"）；

while（1）{

res=f_read（&fsrc，pr，256，&br）；

if（res ||br < 256）

break；

USART1_SendStr（pr）；

USART1_SendStr（"＼r＼n"）；

Show_Str（60，170，200，16，"讀取成功！"，16，0）； } }

f_close（&fsrc）； //關(guān)閉文件，不論是打開(kāi)還是新建，一定要關(guān)閉。

4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控核心為Cortex-M3，搭載DS18B20溫度傳感器[10]，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，每5 s測(cè)量一次溫度，將測(cè)量的數(shù)據(jù)寫(xiě)入SD卡的wendu.txt文件中。設(shè)計(jì)中需要實(shí)現(xiàn)的功能模塊為DS18B20測(cè)溫的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，SD卡驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，SD卡fate32文件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及主控任務(wù)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)總流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總流程圖

在設(shè)計(jì)中，SD卡Fate32文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)步驟全面可行，系統(tǒng)上電后，會(huì)依次初始化各相關(guān)模塊。SD卡首先檢測(cè)是否插接正常并給予提示。系統(tǒng)檢測(cè)到SD卡，會(huì)掛接SD卡到主控系統(tǒng)并在SD卡根目錄中創(chuàng)建一個(gè)名為wendu.txt的測(cè)溫記錄文檔（如果已經(jīng)存在，則直接打開(kāi)該文檔）。準(zhǔn)備工作完成后，系統(tǒng)開(kāi)始循環(huán)測(cè)溫，并將每一次測(cè)溫結(jié)果以及RTC時(shí)間格式化寫(xiě)入文檔中?？稍O(shè)定文檔大小，如果寫(xiě)入信息超過(guò)500 K，則關(guān)閉現(xiàn)打開(kāi)文檔，重新建立文檔記錄。

5 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，SD卡插接正?？煞€(wěn)定打開(kāi)，也可以FAT32格式進(jìn)行格式化。通過(guò)軟件設(shè)計(jì)，可在SD卡中創(chuàng)建文件、打開(kāi)文件、關(guān)閉文件及刪除文件，所采集的數(shù)據(jù)能夠正常寫(xiě)入文件中，并可結(jié)合RTC寫(xiě)入當(dāng)前數(shù)據(jù)的采集時(shí)間供后續(xù)分析使用。SD卡可在PC端打開(kāi)，提供采集的文本信息。設(shè)計(jì)中使用溫度采集進(jìn)行測(cè)試，也可按需求采集具體所需數(shù)據(jù)。FAT32文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)可移植性良好，可移植于單片機(jī)及各類控制器的信息采集存儲(chǔ)系統(tǒng)中。

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