經(jīng)過一周左右時(shí)間的摸索，終于明白了如何用msp30在SD卡實(shí)現(xiàn)FAT32文件系統(tǒng)，很開心～在學(xué)習(xí)的過程中，也發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，就是網(wǎng)上系統(tǒng)地講SD卡的資料很少，而講SDHC卡的資料則更少，所以決定寫一篇博客與大家分享，由于SDHC卡大部分內(nèi)容都與SD卡一樣，所以下文除非是特別介紹SDHC卡，其余都會(huì)以SD卡代替SDHC卡。如果發(fā)現(xiàn)文中存在問題，歡迎指正，謝謝。
首先，我們先說明一下本文的主要內(nèi)容，本文的主要側(cè)重點(diǎn)在于利用msp430（其它單片機(jī)應(yīng)該類似）驅(qū)動(dòng)SD卡。驅(qū)動(dòng)方式選用SPI方式，驅(qū)動(dòng)成功之后，將FAT32文件系統(tǒng)移植過來。所以如果想要仔細(xì)學(xué)習(xí)FAT32文件系統(tǒng)的，可以忽略本文了，想要快速地利用單片機(jī)在SD卡上實(shí)現(xiàn)FAT32文件系統(tǒng)的，可以看一下。大家可以交流一下。
一、開發(fā)之前的準(zhǔn)備
1、準(zhǔn)備WinHex工具
工欲善其事，必先利其器。在開發(fā)之前，我們必須要先準(zhǔn)備好需要的工具，除了相應(yīng)的單片機(jī)開發(fā)平臺(tái)，我們還需要一個(gè)很重要的工具，WinHex。WinHex可以直接查看磁盤內(nèi)部的16進(jìn)制數(shù)據(jù)。我們把SD卡用卡槽接到電腦上之后，打開WinHex，點(diǎn)擊Tools--Open Disk,然后在Physical Media下選擇自己的SD卡，即可打開自己的SD卡。如下圖所示。這里需要注意的是，一定要在Physical Media下選自己的SD卡，這樣看到才是物理地址，否則看到的是邏輯地址，可能會(huì)跟你的實(shí)際操作不一致，如你在地址為1024的地方寫了一段數(shù)據(jù)，用WinHex在這里卻看不到你寫的數(shù)據(jù)。
2、SD卡和SDHC卡
目前大家口頭上經(jīng)常說的是SD卡，但實(shí)際上，目前所用的大容量的卡其實(shí)均是SDHC卡。SD的容量最大只能到2G，而SDHC卡的容量最小2G，最大32G。所以，如果你的“SD卡”的容量超過2G了，那其實(shí)那是SDHC卡。SD卡和SDHC卡在用戶使用上，除了容量大了，幾乎體會(huì)不到別的區(qū)別，但是在開發(fā)過程中，卻是存在一些區(qū)別的，SD卡是按字節(jié)尋址，SDHC卡是按塊尋址。這一點(diǎn)一定要記住。什么是按字節(jié)尋址，什么是按塊尋址，我們?cè)谙挛臅?huì)簡(jiǎn)單講解。
3、尋址方式及“塊”和“簇”的簡(jiǎn)單介紹
首先，我們介紹一下“塊”的概念，在SD卡或者SDHC卡里，一個(gè)塊是由512個(gè)字節(jié)組成，每次讀寫的時(shí)候，數(shù)據(jù)都是以塊為單位進(jìn)行讀寫的。SD卡讀寫是按字節(jié)尋址，這是指其讀寫地址的單位為字節(jié)，而我們前面提到，讀寫的時(shí)候數(shù)據(jù)是以塊為單位進(jìn)行讀寫的，所以讀寫SD卡的時(shí)候，其地址應(yīng)該為512的倍數(shù)，即讀寫SD卡時(shí)，其地址參數(shù)為0，512，1024……而SDHC卡則是以塊為單位尋址的，即讀寫SDHC卡時(shí)，地址參數(shù)為1時(shí)，讀寫的地址實(shí)際上用512字節(jié)開始，到1023字節(jié)出結(jié)束。從WinHex中，我們也可以看到，在地址為512倍數(shù)的上一行，有一條線分割了上下兩行，這其實(shí)也就是把塊分割開了，看起來更清楚了。
在這里，我們?cè)俸?jiǎn)單介紹一下“簇”。我們?cè)诟袷交疭D卡的時(shí)候，可能會(huì)忽略一個(gè)選項(xiàng)，分配單元大小，如下圖所示，這個(gè)其實(shí)就是我們常說的“簇”。在文件系統(tǒng)中，存儲(chǔ)文件是以“簇”為單位進(jìn)行存儲(chǔ)的。就比如說一棟樓,將它劃分為若干個(gè)房間,每個(gè)房間的大小一樣,同時(shí)給每個(gè)房間一個(gè)房間號(hào).這時(shí),每個(gè)房間的大小,就是分配單元. 在建立分區(qū)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)分配單元大小的選項(xiàng)。每個(gè)簇只能存放一個(gè)文件。文件就是按照這個(gè)簇的大小被分成若干塊存儲(chǔ)在磁盤上的。比如一個(gè)512字節(jié)大的文件，當(dāng)分配單元為512字節(jié)時(shí)，它占用512字節(jié)的存儲(chǔ)空間；一個(gè)513字節(jié)大的文件，當(dāng)分配單元為512字節(jié)時(shí)，它占用1024字節(jié)的存儲(chǔ)空間，但當(dāng)分配單元為4096時(shí)，它就會(huì)占用4096字節(jié)的存儲(chǔ)空間。所以，這也就解釋了為什么有時(shí)候我們明明看SD卡或者U盤上還有一定容量的存儲(chǔ)空間，卻存不下文件的問題。
二、SD卡命令介紹
SD卡里，用到的所有命令都是6個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)為命令代號(hào)，緊接著的4個(gè)字節(jié)為該命令所需的參數(shù)，最后一個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)。命令里，第一個(gè)字節(jié)可以通過命令數(shù)+0x40得到。如cmd8的第一個(gè)字節(jié)為0x48。
在SPI模式下，我們需要用到底命令如下表所示：
關(guān)于這些命令，這里有幾個(gè)注意事項(xiàng)：
1）CMD0的最后一個(gè)字節(jié)必須為0x95，因?yàn)镾D卡剛上電還沒有處于SPI模式，還需要這樣一個(gè)校驗(yàn)的字節(jié)來校驗(yàn)，進(jìn)入SPI模式之后，則不需要校驗(yàn)了，最后一個(gè)字節(jié)可以隨意；
2）CMD55和CMD41(該命令也常稱為ACMD41)必須一起使用，這里所說的兩個(gè)一起使用是指兩個(gè)命令必須連續(xù)發(fā)送，而不是先一直發(fā)送CMD55，收到正確的回復(fù)之后，再一直發(fā)送CMD41,，這樣做的后果是一直收到0x05，不是收到0x00；此外，發(fā)送完CMD41之后，會(huì)先收到一個(gè)0x01，然后才是0x00；
3）讀寫SD卡時(shí)，SD卡和SDHC卡的地址信息是不同的，一個(gè)是以字節(jié)為單位，一個(gè)是以塊為單位；讀SD卡時(shí)，寫入CDM17之后，要一直讀，直道讀到0xfe，說明后續(xù)的512字節(jié)是數(shù)據(jù)；寫SD卡時(shí)，寫進(jìn)數(shù)據(jù)之后，回復(fù)為0x05，說明成功寫入。
這些命令對(duì)應(yīng)的回復(fù)整理的還不太全面，有些命令的回復(fù)是好幾個(gè)字節(jié)的，這里沒有詳細(xì)寫出。
三、開發(fā)過程
1、硬件方面
由于我們是采用SPI方式驅(qū)動(dòng)SD卡，所以只需要用到4跟線，分別為片選信號(hào)線（CS）、數(shù)據(jù)輸入線（DIN）、數(shù)據(jù)輸出線（DOUT）和時(shí)鐘線（CLK）。這里，我的這四根線都采用外部上拉的方式上拉了。設(shè)計(jì)的原理圖如下圖所示。這里需要注意的是，SD卡的數(shù)據(jù)輸入應(yīng)該接單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸出，SD的數(shù)據(jù)輸出應(yīng)該接單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸入。
在SPI模式下，我們需要用到的4個(gè)腳的信息可以從下表中獲取，多于的一些腳在SPI模式下是用不到，這里所有的腳我都上拉了，其實(shí)有一些腳不上拉也沒關(guān)系，而且MSP430有些型號(hào)內(nèi)部可以設(shè)置上拉的。此外，SD卡一般有9個(gè)引腳，原理圖里有11個(gè)引腳，主要是因?yàn)樵韴D里畫的是卡槽，多出來的幾個(gè)引腳是檢測(cè)是否有卡，以及卡是否寫保護(hù)的。
2、軟件方面
軟件方面，我們可以分為四個(gè)步驟：
- 先編寫出利用SPI接口讀寫一個(gè)字節(jié)的函數(shù)
- 然后利用這些函數(shù)編寫出寫命令函數(shù)
- 利用寫命令函數(shù)寫出讀寫數(shù)據(jù)塊以及初始化函數(shù)
- 移植FAT32文件系統(tǒng)
（1）讀寫一個(gè)字節(jié)的函數(shù)
該函數(shù)有兩種方式實(shí)現(xiàn)，一個(gè)是利用單片機(jī)自帶的SPI模塊來實(shí)現(xiàn)，這種方式的好處是讀寫速度快，但是單片機(jī)上的SPI模塊數(shù)量有限，這樣不太靈活，另一個(gè)是利用普通IO實(shí)現(xiàn)，這樣的好處是使用十分靈活，但是速度不夠快，MSP430的IO的極限翻轉(zhuǎn)速度大概在320K左右。
（2）寫命令函數(shù)
寫命令函數(shù)其實(shí)是調(diào)用寫一個(gè)字節(jié)的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)發(fā)送6個(gè)字節(jié)命令的效果，只是這里有一點(diǎn)需要注意，在寫命令函數(shù)里，為了提高兼容性，應(yīng)該先拉高片選信號(hào)，給8個(gè)周期的時(shí)鐘信號(hào)之后，再拉低片選信號(hào)，開始發(fā)命令的操作。
（3）讀寫塊函數(shù)
讀寫塊函數(shù)其實(shí)是調(diào)用寫命令函數(shù)和讀一個(gè)字節(jié)的函數(shù)，這里需要注意的有兩點(diǎn)，一個(gè)就是上文提到的地址信息的問題，另一個(gè)就是在讀寫完塊數(shù)據(jù)之后，需要拉高片選信號(hào)，并且再給8個(gè)周期的時(shí)鐘信號(hào)，以提高穩(wěn)定性。
（4）初始化函數(shù)
初始化函數(shù)其實(shí)是整個(gè)SD卡驅(qū)動(dòng)里，最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，在SD卡的初始化階段里，為了能夠識(shí)別出多種類型的SD卡（MMC卡、SD卡、SDHC卡等），需要調(diào)用多條命令，并且根據(jù)應(yīng)答數(shù)據(jù)來判斷是哪種類型的卡。在初始化的時(shí)候，需要注意的是要放慢SPI的速度，這樣初始化的成功率會(huì)高一些。具體初始化的過程，后面我會(huì)再整理一下，做成一張圖上傳的~
（5）移植FAT32文件系統(tǒng)
有了上述的基礎(chǔ)函數(shù)之后，就可以把FAT32文件系統(tǒng)移植過來了，只需要把底層的驅(qū)動(dòng)函數(shù)改成自己寫的驅(qū)動(dòng)函數(shù)就可以了~
四、總結(jié)
前段時(shí)間，想用MSP430在SD上實(shí)現(xiàn)FAT32文件系統(tǒng)，由于時(shí)間有限，自己只完成了SD卡的底層驅(qū)動(dòng)這一部分。文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，則要感謝znFAT的團(tuán)隊(duì)，因?yàn)樯蠈拥奈募到y(tǒng)是移植的他們的znFAT。感覺znFAT的可移植性真的很強(qiáng)，而且很穩(wěn)定，移植起來還是比較順利的~大家如果想對(duì)FAT32文件系統(tǒng)有深入的了解的話，可以買znFAT代碼編寫者寫的一本書看下，目前簡(jiǎn)單翻了一遍，感覺思路很清晰的~
最后要感謝網(wǎng)上眾多技術(shù)達(dá)人對(duì)于SD卡驅(qū)動(dòng)的總結(jié)，之前也遇到不少奇奇怪怪的問題，也是看很多他們的總結(jié)，才能順利完成這個(gè)任務(wù)~
