【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 過(guò)插排引出。具體連接詳見(jiàn)圖27。圖27 VS1003設(shè)計(jì)圖第3章 存儲(chǔ)模塊 SD儲(chǔ)存卡簡(jiǎn)介SD儲(chǔ)存卡(Secure Digital Memory Card)中文翻譯為安全數(shù)碼卡，是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，它被廣泛地于便攜式裝置上使用，例如數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人數(shù)碼助理(PDA)和多媒體播放器等。SD儲(chǔ)存卡由日本松下、東芝及美國(guó)SanDisk公司于1999年8月共同開(kāi)發(fā)研制。大小猶如一張郵票的SD記憶卡，重量只有2克，但卻擁有高記憶容量、快速數(shù)據(jù)傳輸率、極大的移動(dòng)靈活性以及很好的安全性。SD儲(chǔ)存卡在24mm32mm(SanDisk)快閃記憶卡控制與MLC(Multilevel Cell)技術(shù)和Toshiba(東芝)，通過(guò)9針的接口界面與專(zhuān)門(mén)的驅(qū)動(dòng)器相連接，不需要額外的電源來(lái)保持其上記憶的信息。而且它是一體化固體介質(zhì)，沒(méi)有任何移動(dòng)部分，所以不用擔(dān)心機(jī)械運(yùn)動(dòng)的損壞。SD儲(chǔ)存卡(Secure Digital Memory Card)是一種基于半導(dǎo)體閃存工藝的存儲(chǔ)卡，1999年，由日本松下、東芝及美國(guó)SanDisk公司共同研制完成。2000年，這幾家公司發(fā)起成立了SD協(xié)會(huì)(Secure Digital Association簡(jiǎn)稱(chēng)SDA)，陣容強(qiáng)大，吸引了大量廠商參加。其中包括IBM，Microsoft，Motorola，NEC，Samsung等。在這些領(lǐng)導(dǎo)廠商的推動(dòng)下，SD儲(chǔ)存卡已成為目前消費(fèi)數(shù)碼設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的一種存儲(chǔ)卡。SD儲(chǔ)存卡多用于MP3隨身聽(tīng)、數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等，也有用于筆記本電腦上。其投影面積與MMC卡相同，只是略微厚一點(diǎn)，但是SD儲(chǔ)存卡的容量大得多，且讀寫(xiě)速度也MMC卡快4倍。同時(shí)，SD儲(chǔ)存卡的接口與MMC卡是兼容的，支持SD儲(chǔ)存卡的接口大多支持MMC卡。目前SD儲(chǔ)存卡在數(shù)碼相機(jī)中正在迅速普及，大有成為主流之勢(shì)。這是由于SD儲(chǔ)存卡的體積要比CF卡小很多，并且SD儲(chǔ)存卡在容量、性能和價(jià)格上和CF卡的差距越來(lái)越小，而這兩年支持SD儲(chǔ)存卡的手機(jī)迅速在市場(chǎng)走熱，因此，SD儲(chǔ)存卡的迅速成長(zhǎng)絕對(duì)不是偶然的。最重要的一點(diǎn)就是MMC卡也能和SD儲(chǔ)存卡相兼容，這也正是SD儲(chǔ)存卡迅速走紅的原因之一?，F(xiàn)在的SD儲(chǔ)存卡容量由8MB到128GB不等。 SD儲(chǔ)存卡硬件設(shè)計(jì)SD儲(chǔ)存卡可以設(shè)計(jì)出便宜的播放器和驅(qū)動(dòng)器而沒(méi)有可移動(dòng)的部分。使用非常有效的數(shù)據(jù)壓縮比如MPEG，SD儲(chǔ)存卡可以提供足夠的容量來(lái)應(yīng)付多媒體數(shù)據(jù)。 SD存儲(chǔ)卡硬件結(jié)構(gòu)與接口模式SD儲(chǔ)存卡有9個(gè)引腳，引腳的排序和卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖31所示，引腳的功能與模式見(jiàn)表31。它的內(nèi)部包括接口驅(qū)動(dòng)器、時(shí)鐘、寄存器組、卡接口控制器、上電檢查、存儲(chǔ)器核和接口。SD存儲(chǔ)卡上的所有單元有內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器提供時(shí)鐘。圖31 SD儲(chǔ)存卡的引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)SD儲(chǔ)存卡上所有單元由內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器提供時(shí)鐘，接口驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)DAT和CMD同步外部時(shí)鐘的信號(hào)到內(nèi)部所用時(shí)鐘。SD儲(chǔ)存卡由6線接口控制，包括：CMD，CLK，DAT0DAT3，在多SD儲(chǔ)存卡垛疊中為了標(biāo)識(shí)SD儲(chǔ)存卡，使用卡標(biāo)識(shí)寄存器(CID)和相應(yīng)地址寄存器(RCA)。CSD寄存器包括不同類(lèi)型操作參數(shù)，SD儲(chǔ)存卡有自己的電源開(kāi)通檢測(cè)單元，無(wú)需附加的主復(fù)位信號(hào)，有防短路功能，在帶電插入或移出卡時(shí)，無(wú)需外部控制電壓。SD儲(chǔ)存卡的接口可以支持兩種操作模式：SD儲(chǔ)存卡模式和SPI模式。主機(jī)系統(tǒng)可以選擇以上其中任一模式，SD儲(chǔ)存卡模式允許4線的高速數(shù)據(jù)傳輸。SPI模式允許簡(jiǎn)單通用的SPI通道接口，這種模式相對(duì)于SD模式的不足之處是喪失了速度。SD總線允許強(qiáng)大的1線到4線數(shù)據(jù)信號(hào)設(shè)置。當(dāng)默認(rèn)的上電后，SD儲(chǔ)存卡使用DAT0。初始化之后，主機(jī)可以改變線寬?；旌偷腟D儲(chǔ)存卡連接方式也適合于主機(jī)，在混和連接中Vcc，Vss和CLK的信號(hào)連接可以通用，但是命令、回復(fù)、和數(shù)據(jù)(DAT0～3)這幾根線，各個(gè)SD儲(chǔ)存卡必須從主機(jī)分開(kāi)。這個(gè)特性使得硬件和系統(tǒng)上交替使用。SD總線上通信的命令和數(shù)據(jù)比特流從一個(gè)起始位開(kāi)始，以停止位中止。CLK：每個(gè)時(shí)鐘周期傳輸一個(gè)命令或數(shù)據(jù)位。頻率可在0～25MHz之間變化。SD儲(chǔ)存卡的總線管理器可以不受任何限制的自由產(chǎn)生0～25MHz的頻率。CMD：命令從該CMD線上串行傳輸。一個(gè)命令是一次主機(jī)到從卡操作的開(kāi)始。命令可以以單機(jī)尋址(尋址命令)或呼叫所有卡(廣播命令)方式發(fā)送?；貜?fù)從該CMD線上串行傳輸。一個(gè)命令是對(duì)之前命令的回答?；貜?fù)可以來(lái)自單機(jī)或所有卡。DAT0～3：數(shù)據(jù)可以從卡傳向主機(jī)，數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)線傳輸。SPI總線允許通過(guò)2通道(數(shù)據(jù)入和出)傳輸比特?cái)?shù)據(jù)。SPI兼容模式使得MMC主機(jī)系統(tǒng)通過(guò)很小的改動(dòng)就可以使用SD儲(chǔ)存卡。SPI模式使用字節(jié)傳輸，所有的數(shù)據(jù)被融合到一些字節(jié)中并通過(guò)CS信號(hào)來(lái)校正。SPI模式的優(yōu)點(diǎn)就是簡(jiǎn)化主機(jī)的設(shè)計(jì)。表31 SD儲(chǔ)存卡接口模式引腳分配引腳編號(hào)SD模式SPI模式名稱(chēng)類(lèi)型描述名稱(chēng)類(lèi)型描述1CD/DAT3IO或PP卡檢測(cè)/數(shù)據(jù)線3CSI片選2CMDPP命令/回應(yīng)DII數(shù)據(jù)輸入3VSS1S電源地VSSS電源地4VDDS電源VDDS電源5CLKI時(shí)鐘SCLKI時(shí)鐘6VSS2S電源地VSS2S電源地7DAT0IO或PP數(shù)據(jù)線0DOO或PP數(shù)據(jù)輸出8DAT1IO或PP數(shù)據(jù)線1RSV9DAT2IO或PP數(shù)據(jù)線2RSV注：S：電源供給I：輸入O：采用推拉驅(qū)動(dòng)的輸出PP：采用推拉驅(qū)動(dòng)的輸入輸出 SD命令1. SD儲(chǔ)存卡的命令格式：SD儲(chǔ)存卡的指令由6字節(jié)(Byte)組成，如下：Byte1：0 1 x x x x x x(命令號(hào)，由指令標(biāo)志定義，如CMD39為100111即16進(jìn)制0x27，那么完整的CMD39第一字節(jié)為01100111，即0x27+0x40)Byte25:Command Arguments，命令參數(shù)，有些命令沒(méi)有參數(shù)。Byte6:前7位為CRC(Cyclic Redundacy Check，循環(huán)冗余校驗(yàn))校驗(yàn)位，最后一位為停止位0。2. SD儲(chǔ)存卡的命令SD儲(chǔ)存卡命令共分為12類(lèi)，分別為class0到class11，不同的SD儲(chǔ)存卡，主控根據(jù)其功能，支持不同的命令集如下：Class0：卡的識(shí)別、初始化等基本命令集CMD0：復(fù)位SD卡。 CMD1：讀OCR寄存器。 CMD9：讀CSD寄存器。 CMD10：讀CID寄存器。 CMD12：停止讀多塊時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸。 CMD13：讀Card_Status寄存器。Class2：讀卡命令集 CMD16：設(shè)置塊的長(zhǎng)度。 CMD17：讀單塊。 CMD18：讀多塊，直至主機(jī)發(fā)送CMD12為止。Class4：寫(xiě)卡命令集 CMD24：寫(xiě)單塊。 CMD25：寫(xiě)多塊。 CMD27：寫(xiě)CSD寄存器。Class5：擦除卡命令集 CMD32：設(shè)置擦除塊的起始地址。 CMD33：設(shè)置擦除塊的終止地址。 CMD38：擦除所選擇的塊。Class6：寫(xiě)保護(hù)命令集 CMD28：設(shè)置寫(xiě)保護(hù)塊的地址。 CMD29：擦除寫(xiě)保護(hù)塊的地址。 CMD30：對(duì)地址寫(xiě)保護(hù)位。Class7：卡的鎖定，解鎖功能命令集。Class8：申請(qǐng)?zhí)囟罴lass10－11：保留。其中Class1，Class3，Class9：SPI模式不支持。 SD存儲(chǔ)卡數(shù)據(jù)操作鑒于在單片機(jī)中應(yīng)用時(shí)，多數(shù)情況下對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸速率要求不是太高，所以使用SPI接口模式。SD儲(chǔ)存卡的初始化是非常重要的，只有進(jìn)行了正確的初始化，才能進(jìn)入SPI模式。在初始化過(guò)程中，SPI的時(shí)鐘不能太快，否則會(huì)造初始化失敗。在初始化成功后，應(yīng)盡量提高SPI的速率。在剛開(kāi)始要先發(fā)送至少74個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，這是必須的。在很多讀者的實(shí)驗(yàn)中，很多是因?yàn)槭韬隽诉@一點(diǎn)，而使初始化不成功。隨后就是寫(xiě)入兩個(gè)命令CMD0與CMD1，使SD儲(chǔ)存卡進(jìn)入SPI模式進(jìn)行。初始化命令為CMD1，由0x41，0x00，0x00，0x00，0x00，0xFF組成。前兩位固定為01，命令索引號(hào)為000001，32位參數(shù)為0，CRC校驗(yàn)為1111111，結(jié)束標(biāo)志為1。首先把片選CS拉低，發(fā)送CMD1信號(hào)；插入一定量的時(shí)鐘信號(hào)，等待SD在SPI模式下的復(fù)位；如果收到00h的信號(hào)表明初始化成功，如果收到的信號(hào)始終是FFh，則表明初始化失敗，需要重新初始化操作；拉高片選CS，并且發(fā)送8位時(shí)鐘信號(hào)，完成整個(gè)初始化操作。圖32 初始化時(shí)序圖CID寄存器存儲(chǔ)了SD儲(chǔ)存卡的標(biāo)識(shí)碼。每一個(gè)卡都有唯一的標(biāo)識(shí)碼。CID寄存器長(zhǎng)度為128位，它的寄存器結(jié)構(gòu)見(jiàn)表32，圖33 為讀CID時(shí)序圖。表32 CID寄存器結(jié)構(gòu)名稱(chēng)域數(shù)據(jù)寬度CID劃分生產(chǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)MID8[127:120]OEM/應(yīng)用標(biāo)識(shí)OID16[119:104]產(chǎn)品名稱(chēng)PNM40[103:64]產(chǎn)品版本PRV8[63:56]產(chǎn)品序列號(hào)PSN32[55:24]保留－4[23:20]生產(chǎn)日期MDT12[19:8]CRC7校驗(yàn)合CRC7[7:1]未使用，始終為1－1[0:0]圖33讀取CID時(shí)序CSD(CardSpecific Data)寄存器提供了讀寫(xiě)SD儲(chǔ)存卡的一些信息。其中的一些單元可以由用戶重新編程。對(duì)CSD操作的時(shí)序見(jiàn)圖34。圖34 讀取CSD 的時(shí)序讀扇區(qū)是對(duì)SD儲(chǔ)存卡驅(qū)動(dòng)的目的之一。SD儲(chǔ)存卡的每一個(gè)扇區(qū)中有512個(gè)字節(jié)，一次扇區(qū)讀操作將把某一個(gè)扇區(qū)內(nèi)的512個(gè)字節(jié)全部讀出。對(duì)SD儲(chǔ)存卡的操作主要是對(duì)存儲(chǔ)在SD儲(chǔ)存卡的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)，SPI模式下的讀扇區(qū)操作時(shí)序如圖35所示。讀扇區(qū)命令為CMD17，由0x51，32位讀地址，0xFF組成。前兩位固定為01，命令索引號(hào)為010001，參數(shù)為32位讀扇區(qū)地址，CRC校驗(yàn)為1111111，結(jié)束標(biāo)志為1。首先把CS拉低，發(fā)送CMD17，插入一定量的時(shí)鐘信號(hào)，等待命令發(fā)送成功，當(dāng)收到00h信號(hào)后表明命令發(fā)送成功，如果始終收到的是FFh則表明發(fā)送命令失敗，需要重復(fù)發(fā)送，插入一定量的時(shí)鐘信號(hào)，等待讀取扇區(qū)數(shù)據(jù)。當(dāng)收到0xFE標(biāo)志后，表示隨后的512字節(jié)為接收的數(shù)據(jù)，512個(gè)字節(jié)后是兩字節(jié)CRC校驗(yàn)位，但在SPI模式下，并不關(guān)心這些位的具體數(shù)值。操作結(jié)束，拉高CS位，并發(fā)送8個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。讀取的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可以由CMD16設(shè)定，默認(rèn)值是512個(gè)字節(jié)。圖35 讀扇區(qū)的時(shí)序?qū)懮葏^(qū)是SD儲(chǔ)存卡驅(qū)動(dòng)的另一目的。每次扇區(qū)寫(xiě)操作將向SD儲(chǔ)存卡的某個(gè)扇區(qū)中寫(xiě)入512個(gè)字節(jié)。寫(xiě)扇區(qū)操作可以分成三部分，第一是寫(xiě)命令CMD24，時(shí)序與前面的讀扇區(qū)相同。CS拉低，寫(xiě)入CMD24，插入一定量的時(shí)鐘信號(hào)，當(dāng)讀回的是00h時(shí)，表示命令寫(xiě)入成功，然后再插入一定量的時(shí)鐘信號(hào)。第二是向SD儲(chǔ)存卡寫(xiě)入512字節(jié)的數(shù)據(jù)，同讀扇區(qū)命令相同，寫(xiě)入的字節(jié)數(shù)也可由CMD16設(shè)定，默認(rèn)是512字節(jié)。首先寫(xiě)入扇區(qū)開(kāi)始標(biāo)志FFh，緊接著寫(xiě)入512字節(jié)的數(shù)據(jù)，最后是兩字節(jié)的CRC校驗(yàn)，因?yàn)镾PI模式下并不關(guān)心CRC校驗(yàn)的數(shù)據(jù)，CRC校驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以是兩個(gè)0xFF。發(fā)送完數(shù)據(jù)后可以連續(xù)讀SD儲(chǔ)存卡，如果讀回的數(shù)據(jù)的低五位是00101表明寫(xiě)入的512個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)被SD儲(chǔ)存卡所接收，整個(gè)過(guò)程如圖中58部分。第三是將數(shù)據(jù)存入SD儲(chǔ)存卡相應(yīng)的flash存儲(chǔ)單元中，這個(gè)過(guò)程需要一定時(shí)間，在此時(shí)間段，SD儲(chǔ)存卡呈現(xiàn)忙狀態(tài)，讀SD儲(chǔ)存卡數(shù)據(jù)端數(shù)據(jù)為00h，此時(shí)間段需要發(fā)送一定量的時(shí)鐘信號(hào)；直到讀SD儲(chǔ)存卡的數(shù)據(jù)端讀回的數(shù)據(jù)是FFh，表示數(shù)據(jù)寫(xiě)入成功，拉高CS片選，插入8個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。圖36 寫(xiě)扇區(qū)的時(shí)序第4章 FAT32在單片機(jī)上的實(shí)現(xiàn) FAT32文件系統(tǒng)概述文件系統(tǒng)在操作系統(tǒng)中體現(xiàn)文件命名、存貯和組織的整體結(jié)構(gòu)，由文件、目錄和對(duì)這些項(xiàng)目定位及存取所需的信息組成。Windows95 OSR2和Windows 98開(kāi)始支持FAT32文件系統(tǒng)，它是對(duì)早期DOS的FAT16文件系統(tǒng)的增強(qiáng)，由于文件系統(tǒng)的核心文件分配表FAT由16位擴(kuò)充為32位，所以稱(chēng)為FAT32文件系統(tǒng)。在一邏輯盤(pán)(硬盤(pán)的一分區(qū))超過(guò)512兆字節(jié)時(shí)使用這種格式，會(huì)更高效地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，減少硬盤(pán)空間的浪費(fèi)，一般還會(huì)使程序運(yùn)行加快，使用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源更少，因此是使用大容量硬盤(pán)存儲(chǔ)文件的極有效的系統(tǒng)。本人對(duì)Windows 98下的FAT32文件系統(tǒng)做了分析實(shí)驗(yàn)，總體上與FAT16文件系統(tǒng)變化不大，現(xiàn)將有關(guān)變化部分簡(jiǎn)介如下：（1） FAT32文件系統(tǒng)將邏輯盤(pán)的空間劃分為三部分，依次是引導(dǎo)區(qū)(BOOT區(qū))、文件分配表區(qū)(FAT區(qū))、數(shù)據(jù)區(qū)(DATA區(qū))。引導(dǎo)區(qū)和文件分配表區(qū)又合稱(chēng)為系統(tǒng)區(qū)。（2） 引導(dǎo)區(qū)從第一扇區(qū)開(kāi)始，使用了三個(gè)扇區(qū)，保存了該邏輯盤(pán)每扇區(qū)字節(jié)數(shù)，每簇對(duì)應(yīng)的扇區(qū)數(shù)等等重要參數(shù)和引導(dǎo)記錄。之后還留有若干保留扇區(qū)。而FAT16文件系統(tǒng)的引導(dǎo)區(qū)只占用一個(gè)扇區(qū)，沒(méi)有保留扇區(qū)。（3） 文件分配表區(qū)共保存了兩個(gè)相同的文件分配表，因?yàn)槲募加玫拇鎯?chǔ)空間(簇鏈)及空閑空間的管理都是通過(guò)FAT實(shí)現(xiàn)的，F(xiàn)AT如此重要，保存兩個(gè)以便第一個(gè)損壞時(shí)，還有第二個(gè)可用。文件系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)的存儲(chǔ)空間是按簇進(jìn)行劃分和管理的，簇是空間分配和回收的基本單位，即一個(gè)文件總是占用若干個(gè)整簇，文件所使用的最后一簇剩余的空間就不再使用，而是浪費(fèi)掉了。（4） FAT32系統(tǒng)一簇對(duì)應(yīng)8個(gè)邏輯相鄰的扇區(qū)，理論上，這種用法所能管理的邏輯盤(pán)容量上限為16TB(16384GB)，容量大于16TB時(shí)，可以用一簇對(duì)應(yīng)16個(gè)扇區(qū)，依此類(lèi)推。FAT16系統(tǒng)在邏輯盤(pán)容量介于128MB到256MB時(shí)，一簇對(duì)應(yīng)8個(gè)扇區(qū)，容量介于256MB到512MB時(shí)，一簇對(duì)應(yīng)16個(gè)扇區(qū)，容量介于512M