陳正江

（電子科技大學(xué) 自動化工程學(xué)院，成都611731）

陳正江（碩士研究生），主要研究領(lǐng)域為測控技術(shù)與儀器。

引 言

德州儀器（TⅠ）公司的OMAP－L138處理器是一款將ARM和DSP整合在一起的低功耗應(yīng)用處理器，其中ARM核采用的是主頻為375MHz的ARM926EJ－S核，而DSP核采用TⅠ公司的型號為TMS320C6748的浮點型DSP［1］。

作為一款針對移動設(shè)備和高速數(shù)據(jù)處理的高性能應(yīng)用處理器，SD卡的引入有一定的必要性。在大部分應(yīng)用中OMAP－L138處理器會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，SD卡的使用可以大大降低板上存儲數(shù)據(jù)的成本，減少數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移時間，提高數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移效率。而在SD卡上實現(xiàn)文件系統(tǒng)，有利于管理卡上數(shù)據(jù)，使之準(zhǔn)確而迅速地轉(zhuǎn)移至PC機?？紤]到FAT文件系統(tǒng)較高的可移植性，且與PC機上常用的Windows操作系統(tǒng)兼容，因此在本課題中采用了FAT文件系統(tǒng)以便于在PC機上對數(shù)據(jù)進行分析和備份。

1 SD卡簡要介紹

由于在成本控制、安全性、移動性和讀寫速度等方面都有不錯的表現(xiàn)，SD卡的應(yīng)用越來越廣泛。下面針對SD卡在本課題中的應(yīng)用進行一些簡要的介紹。

1.1 SD卡結(jié)構(gòu)

SD卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。SD卡有9個引腳，以下是對除供電和接地引腳外的6個引腳的功能介紹。

①CLK：時鐘信號。每個時鐘周期能傳輸一個命令或數(shù)據(jù)位。

② CMD：命令（Command）和響應(yīng)（Response）線。用于主機與SD卡之間的協(xié)調(diào)通信。

圖1 SD卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)

③DAT0～3：數(shù)據(jù)線。用于主機與SD卡之間的數(shù)據(jù)交換。

另外，SD卡內(nèi)部有6個長短不一的寄存器，存儲著SD卡的出廠日期、生產(chǎn)廠商、容量大小、操作條件和SD卡狀態(tài)等信息。

1.2 工作模式

根據(jù)SD卡的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可知［3］，SD卡支持兩種總線模式：一種是SPⅠ模式，即使用SPⅠ接口總線來進行數(shù)據(jù)的傳輸，只使用4位數(shù)據(jù)線中的DAT0進行數(shù)據(jù)傳輸，而CD／DAT3引腳用于片選；另一種是SD模式，該模式下可以使用單線或4線傳輸數(shù)據(jù)。只要主控設(shè)備提供了SPⅠ接口，SD卡就能應(yīng)用于該設(shè)備，這使SD卡更具有通用性；而SD模式相比于SPⅠ模式可以提供更快的SD卡讀寫速度，這正是高速數(shù)據(jù)處理所需要的。

1.3 SD模式下的Command與Response介紹

Command和Response都是在CMD線上串行傳輸?shù)?，只是傳輸?shù)姆较虿灰粯印?/p>

Command代表著一次主機到從卡操作的開始，是從主機到單卡或所有卡。

Response是對之前Command的響應(yīng)，可以來自單卡或所有卡。

1.3.1Command介紹

Command分為標(biāo)準(zhǔn)CMD和ACMD，它們之間的區(qū)別就是在使用ACMD之前須向SD卡發(fā)送APP＿CMD Command（CMD55）［3］，而標(biāo)準(zhǔn) CMD 是可以直接對 SD 卡使用的。以下是幾個常用的Command［3］。

① GO＿ⅠDLE＿STATE（CMD0）：重置所有卡，使它們都處于空閑態(tài)，無Response。

② ALL＿SEND＿CⅠD（CMD2）：向所有卡詢問 CⅠD號碼，響應(yīng)類型為R2。

③SEND＿RELATⅠVE＿ADDR（CMD3）：詢問卡的RCA（Relative Card Address，相對卡地址）。是SD卡的本地系統(tǒng)地址，是由SD卡在初始化期間動態(tài)分配并得到主機承認(rèn)的［3］，響應(yīng)類型為 R6。

④ SELECT／DESELECT＿CARD（CMD7）：CMD7使用RCA作為命令參數(shù)，當(dāng)某卡收到的是自己本身的RCA，那么它將被選擇。反之，則該卡將被取消選定。當(dāng)發(fā)送的RCA為0時將取消選定的所有卡，響應(yīng)類型為R1b。

⑤SEND＿CSD（CMD9）：命令參數(shù)為 RCA，其作用是使地址為該RCA的卡給主機設(shè)備發(fā)送它的CSD信息，響應(yīng)類型為R2。

⑥ STOP TRANSMⅠSSⅠON（CMD12）：強制卡結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸，通常用于SD卡多塊讀寫時，響應(yīng)類型為R1b。

⑦SET＿BLOCKLEN（CMD16）：設(shè)置 SD卡的塊長度，通常的塊長度都是512字節(jié)，響應(yīng)類型為R1。

⑧ READ＿SⅠNGLE＿BLOCK（CMD17），READ＿MULTⅠPLE＿BLOCK（CMD18）：塊的讀命令，前者讀單塊，后者讀多塊，響應(yīng)類型都是R1。

⑨ WRⅠTE＿SⅠNGLE＿BLOCK（CMD24），WRⅠTE＿MULTⅠPLE＿BLOCK（CMD25）：塊的寫命令，前者寫單塊，后者寫多塊，響應(yīng)類型都是R1。

⑩ APP＿CMD（CMD55）：指明下一個命令為ACMD，響應(yīng)類型為R1。

[11]SET＿BUS＿WⅠDTH（ACMD6）：設(shè)置SD卡的數(shù)據(jù)寬度，參數(shù)為數(shù)據(jù)寬度，響應(yīng)類型為R1。

[12]SD＿SEND＿OP＿COND（ACMD41）：讓SD卡返回OCR寄存器內(nèi)容，參數(shù)為SD卡的電壓范圍，響應(yīng)類型為R3。

1.3.2Response介紹

Response分為R1、R1b、R2、R3、R6和R7，除去R2長度為136位外，其他的全為48位，但它們的功用和意義不一致。

R1為普通命令的響應(yīng)，而R1b與R1唯一的區(qū)別就是R1b代表該卡接到命令時數(shù)據(jù)線會處于忙態(tài)。R2用于卡向主機返回SD卡CSD或CⅠD寄存器內(nèi)容，R3作為ACMD41的響應(yīng)，返回SD卡OCR寄存器的內(nèi)容。R6返回SD卡的RCA，R7作為CMD8的響應(yīng)［3］。

2 FAT文件系統(tǒng)

之所以引入FAT文件系統(tǒng)，一是便于SD卡上數(shù)據(jù)的管理，二是便于將SD卡上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至PC機上進行備份和處理。

2.1 FAT文件系統(tǒng)簡介

目前FAT文件系統(tǒng)有FAT12、FAT16和FAT32三種類型，它們是由FAT表中每個FAT項所占長度來分類的，即它們的FAT表中每個FAT項占用的位數(shù)分別為12、16和32位［4］。由于FAT12文件系統(tǒng)能支持的最大分區(qū)容量只有8MB，再加上不能支持長文件名，現(xiàn)在已經(jīng)很少能看到它的蹤影了。FAT16能支持的分區(qū)容量為16 MB～2GB［4］，F(xiàn)AT32能支持的分區(qū)容量為32MB～32 GB［4］。在本課題中可以靈活地選擇將SD卡格式化為FAT16或FAT32。

2.2 FatFs簡介

FatFs是在小型的嵌入式系統(tǒng)中的一個通用的FAT文件系統(tǒng)模塊［5］，也 就是 FAT 文 件系統(tǒng)的驅(qū)動。它連接著頂層的應(yīng)用和底層的物理實現(xiàn)如圖2所示。FatFs的引入降低了在SD卡上借助文件系統(tǒng)實現(xiàn)讀寫功能的難度。如圖3所示，只需要實現(xiàn)底層SD卡的Ⅰ／O函數(shù)、RTC函數(shù)和頂層的應(yīng)用函數(shù)功能就可以實現(xiàn)FAT文件系統(tǒng)的移植。

圖2 FatFs模塊

下面簡要介紹FatFs模塊中的一些常用庫函數(shù)［5］。

①f＿mount：用于裝載或卸載一個工作區(qū)域，在使用FatFs庫函數(shù)進行操作前須裝載一個工作區(qū)域，操作完畢后要卸載該工作區(qū)域。

②f＿read，f＿write：文件的讀寫函數(shù)。

③f＿open：用于打開或創(chuàng)建一個文件，在使用f＿read或f＿write函數(shù)之前須使用f＿open打開文件。

④f＿close：關(guān)閉一個文件，在完成文件的讀寫操作過程后須使用此函數(shù)關(guān)閉該文件。

⑤f＿mkfs：格式化磁盤。

⑥f＿opendir，f＿readdir，f＿mkdir，f＿chdir：作用依次是打開、讀取、創(chuàng)建和更改目錄。

⑦f＿unlink：刪除一個文件或一個目錄。

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 軟硬件平臺

本課題使用的是R0.08b版本的FatFs模塊，編譯調(diào)試軟件為TⅠ公司的CCS v3.3；硬件平臺是合眾達的DEC－138開發(fā)板，其使用的芯片便是本文一開始介紹的OMAP－L138處理器，同時也提供了SD卡的接口，滿足設(shè)計要求。

3.2 軟件實現(xiàn)

FatFs的移植工作主要是根據(jù)硬件平臺的不同對底層disk Ⅰ／O函數(shù)和RTC函數(shù)的編寫。完成上述工作后，在了解FatFs庫函數(shù)功能的情況下就可以根據(jù)自己需要編寫頂層的應(yīng)用函數(shù)。

3.2.1SD卡的初始化和讀寫函數(shù)

（1）初始化函數(shù)SD＿Init

SD卡的初始化流程如圖3所示。分為初始化SD控制器和識別SD卡兩個主要步驟，其中關(guān)于SD卡識別中使用到的CMD的相關(guān)解釋請參見1.3.1小節(jié)。另外，流程圖中默認(rèn)在發(fā)送ACMD之前發(fā)送了CMD55。

（2）讀寫函數(shù)

圖3 SD卡初始化函數(shù)流程圖

SD卡讀／寫數(shù)據(jù)示意圖如圖4所示。對OMAPL138而言，SD卡數(shù)據(jù)的讀寫都要通過SD控制器上的FⅠFO，大小可設(shè)置為32字節(jié)或64字節(jié)。MMCDRR（MMC Data Receive Register，數(shù)據(jù)接收寄存器）和MMCDXR（MMC Data Transmit Register，數(shù)據(jù)發(fā)送寄存器）長度都是32位。在讀SD卡上的數(shù)據(jù)的時候，會先將SD卡的數(shù)據(jù)復(fù)制到FⅠFO中，然后 MMCDRR會分次將FⅠFO中的數(shù)據(jù)讀出并發(fā)送至Host；而在寫SD卡時，數(shù)據(jù)也會先放置在FⅠFO中，之后MMCDXR再依次把數(shù)據(jù)讀出來寫到SD卡中［6］。

圖4 SD卡讀／寫數(shù)據(jù)示意圖

SD卡的讀寫函數(shù)分為單塊和多塊，而多塊的讀寫實際上有兩種實現(xiàn)方法：

① 將多塊分成多個單塊來讀寫；

② 直接使用多塊讀寫CMD完成多塊的讀寫。

由于第一種方法在單塊數(shù)據(jù)讀寫之前須發(fā)送多次單塊讀寫CMD，而第二種方法只用在數(shù)據(jù)傳輸之前發(fā)送一個多塊讀寫CMD，并在數(shù)據(jù)傳輸終止處發(fā)送一個傳輸結(jié)束CMD，因此后者的速度明顯快于前者。

3.2.2diskI／O函數(shù)

disk Ⅰ／O函數(shù)的作用就是作為上層FatFs函數(shù)庫與底層存儲設(shè)備Ⅰ／O函數(shù)的紐帶。

（1）磁盤的初始化函數(shù)disk＿initialize

初始化SD卡，此函數(shù)的參數(shù)為無符號char型的drv，目前版本的FatFs只支持單塊磁盤，其值只能為0。

（2）磁盤狀態(tài)獲取函數(shù)disk＿status

用于獲取磁盤狀態(tài)，編寫此函數(shù)時只需判斷drv是否為0。

（3）磁盤讀寫函數(shù)disk＿read／disk＿write

disk＿read／disk＿write函數(shù)流程如圖5所示。disk＿read／disk＿write即磁盤的讀寫函數(shù)，其作用是將磁盤的讀寫操作包裝起來供FatFs模塊中的相關(guān)函數(shù)調(diào)用。

圖5 disk＿read／disk＿write函數(shù)流程圖

（4）磁盤I／O控制函數(shù)disk＿ioctl

用于返回塊大小、扇區(qū)大小和容量的函數(shù)。最典型的應(yīng)用是在格式化函數(shù)f＿mkfs中。函數(shù)f＿mkfs需從disk＿ioctl中得到2個參數(shù)：磁盤的容量和扇區(qū)大小。只有disk＿ioctl得到正確的參數(shù)，f＿mkfs才能將SD卡正確格式化。

（5）實時時間獲取函數(shù)get＿fattime

此函數(shù)用于得到實時時鐘，以標(biāo)示文件的創(chuàng)建時間和修改時間。

結(jié) 語

本課題成功實現(xiàn)了基于OMAP－L138處理器的SD卡FAT文件系統(tǒng)的移植，使得該處理器對文件的讀寫簡單易行，對文件的管理事半功倍；此外，讓SD卡工作在SD模式下使得OMAP－L138在進行高速數(shù)據(jù)處理過后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能夠快速地存儲到SD卡中。FAT文件系統(tǒng)的成功移植也使OMAP－L138產(chǎn)生的數(shù)據(jù)能更高效地轉(zhuǎn)移至PC機上加以處理和備份。

［1］Texas Ⅰnstruments.OMAP－L138Low－Power Applications Processor［EB／OL］.（2009－06）［2011－07］.http：／／www.ti.com／cn／litv／pdf／sprs586b.

［2］Texas Ⅰnstruments.OMAP－L138Applications Processor System Reference Guide［EB／OL］.（2010－10－16）［2011－07］.http：／／www.ti.com／cn／litv／pdf／sprugm7d.

［3］SD Group and SD Association.SD Specifications Part 1 Physical Layer Simplified Specification Version 3.01［EB／OL］.（2010－05－18）［2011－07］.http：／／www.sdcard.org／developers／tech／sdcard／pls／simplified＿specs.

［4］劉偉.數(shù)據(jù)恢復(fù)技術(shù)深度揭秘［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［5］FatFs Generic FAT File System Module［OL］.［2011－07］.http：／／elm－chan.org／fsw／ff／00index＿e.html.

［6］Texas Ⅰnstruments.TMS320C674x／OMAP－L1xProcessor Multimedia Card（MMC）／Secure Digital（SD）Card Controller User's Guide ［EB／OL］.（2010－08）［2011－07］.http：／／www.ti.com／cn／litv／pdf／sprufm2b.