利用MSP430在SD卡上实现FAT32文件系统

       首先，我们先说明一下本文的主要内容，本文的主要侧重点在于利用msp430（其它单片机应该类似）驱动SD卡。驱动方式选用SPI方式，驱动成功之后，将FAT32文件系统移植过来。所以如果想要仔细学习FAT32文件系统的，可以忽略本文了，想要快速地利用单片机在SD卡上实现FAT32文件系统的，可以看一下。大家可以交流一下。

一、开发之前的准备

1、准备WinHex工具

     工欲善其事，必先利其器。在开发之前，我们必须要先准备好需要的工具，除了相应的单片机开发平台，我们还需要一个很重要的工具，WinHex。WinHex可以直接查看磁盘内部的16进制数据。我们把SD卡用卡槽接到电脑上之后，打开WinHex，点击Tools--Open Disk,然后在Physical Media下选择自己的SD卡，即可打开自己的SD卡。如下图所示。这里需要注意的是，一定要在Physical Media下选自己的SD卡，这样看到才是物理地址，否则看到的是逻辑地址，可能会跟你的实际操作不一致，如你在地址为1024的地方写了一段数据，用WinHex在这里却看不到你写的数据。

2、SD卡和SDHC卡

        目前大家口头上经常说的是SD卡，但实际上，目前所用的大容量的卡其实均是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”的容量超过2G了，那其实那是SDHC卡。SD卡和SDHC卡在用户使用上，除了容量大了，几乎体会不到别的区别，但是在开发过程中，却是存在一些区别的，SD卡是按字节寻址，SDHC卡是按块寻址。这一点一定要记住。什么是按字节寻址，什么是按块寻址，我们在下文会简单讲解。

3、寻址方式及“块”和“簇”的简单介绍

      首先，我们介绍一下“块”的概念，在SD卡或者SDHC卡里，一个块是由512个字节组成，每次读写的时候，数据都是以块为单位进行读写的。SD卡读写是按字节寻址，这是指其读写地址的单位为字节，而我们前面提到，读写的时候数据是以块为单位进行读写的，所以读写SD卡的时候，其地址应该为512的倍数，即读写SD卡时，其地址参数为0，512，1024……而SDHC卡则是以块为单位寻址的，即读写SDHC卡时，地址参数为1时，读写的地址实际上用512字节开始，到1023字节出结束。从WinHex中，我们也可以看到，在地址为512倍数的上一行，有一条线分割了上下两行，这其实也就是把块分割开了，看起来更清楚了。

      在这里，我们再简单介绍一下“簇”。我们在格式化SD卡的时候，可能会忽略一个选项，分配单元大小，如下图所示，这个其实就是我们常说的“簇”。在文件系统中，存储文件是以“簇”为单位进行存储的。就比如说一栋楼,将它划分为若干个房间,每个房间的大小一样,同时给每个房间一个房间号.这时,每个房间的大小,就是分配单元. 在建立分区时，会出现分配单元大小的选项。每个簇只能存放一个文件。文件就是按照这个簇的大小被分成若干块存储在磁盘上的。比如一个512字节大的文件，当分配单元为512字节时，它占用512字节的存储空间；一个513字节大的文件，当分配单元为512字节时，它占用1024字节的存储空间，但当分配单元为4096时，它就会占用4096字节的存储空间。所以，这也就解释了为什么有时候我们明明看SD卡或者U盘上还有一定容量的存储空间，却存不下文件的问题。

二、SD卡命令介绍

      SD卡里，用到的所有命令都是6个字节，第一个字节为命令代号，紧接着的4个字节为该命令所需的参数，最后一个字节为校验。命令里，第一个字节可以通过命令数+0x40得到。如cmd8的第一个字节为0x48。[page]

      在SPI模式下，我们需要用到底命令如下表所示：

       关于这些命令，这里有几个注意事项：

      1）CMD0的最后一个字节必须为0x95，因为SD卡刚上电还没有处于SPI模式，还需要这样一个校验的字节来校验，进入SPI模式之后，则不需要校验了，最后一个字节可以随意；

      2）CMD55和CMD41(该命令也常称为ACMD41)必须一起使用，这里所说的两个一起使用是指两个命令必须连续发送，而不是先一直发送CMD55，收到正确的回复之后，再一直发送CMD41,，这样做的后果是一直收到0x05，不是收到0x00；此外，发送完CMD41之后，会先收到一个0x01，然后才是0x00；

      3）读写SD卡时，SD卡和SDHC卡的地址信息是不同的，一个是以字节为单位，一个是以块为单位；读SD卡时，写入CDM17之后，要一直读，直道读到0xfe，说明后续的512字节是数据；写SD卡时，写进数据之后，回复为0x05，说明成功写入。

      这些命令对应的回复整理的还不太全面，有些命令的回复是好几个字节的，这里没有详细写出。

 三、开发过程

1、硬件方面

       由于我们是采用SPI方式驱动SD卡，所以只需要用到4跟线，分别为片选信号线（CS）、数据输入线（DIN）、数据输出线（DOUT）和时钟线（CLK）。这里，我的这四根线都采用外部上拉的方式上拉了。设计的原理图如下图所示。这里需要注意的是，SD卡的数据输入应该接单片机的数据输出，SD的数据输出应该接单片机的数据输入。

      在SPI模式下，我们需要用到的4个脚的信息可以从下表中获取，多于的一些脚在SPI模式下是用不到，这里所有的脚我都上拉了，其实有一些脚不上拉也没关系，而且MSP430有些型号内部可以设置上拉的。此外，SD卡一般有9个引脚，原理图里有11个引脚，主要是因为原理图里画的是卡槽，多出来的几个引脚是检测是否有卡，以及卡是否写保护的。

2、软件方面

     软件方面，我们可以分为四个步骤：

• 先编写出利用SPI接口读写一个字节的函数
• 然后利用这些函数编写出写命令函数
• 利用写命令函数写出读写数据块以及初始化函数
• 移植FAT32文件系统

（1）读写一个字节的函数

      该函数有两种方式实现，一个是利用单片机自带的SPI模块来实现，这种方式的好处是读写速度快，但是单片机上的SPI模块数量有限，这样不太灵活，另一个是利用普通IO实现，这样的好处是使用十分灵活，但是速度不够快，MSP430的IO的极限翻转速度大概在320K左右。

（2）写命令函数

      写命令函数其实是调用写一个字节的函数，实现发送6个字节命令的效果，只是这里有一点需要注意，在写命令函数里，为了提高兼容性，应该先拉高片选信号，给8个周期的时钟信号之后，再拉低片选信号，开始发命令的操作。

（3）读写块函数

     读写块函数其实是调用写命令函数和读一个字节的函数，这里需要注意的有两点，一个就是上文提到的地址信息的问题，另一个就是在读写完块数据之后，需要拉高片选信号，并且再给8个周期的时钟信号，以提高稳定性。

（4）初始化函数

    初始化函数其实是整个SD卡驱动里，最为重要的一个环节，在SD卡的初始化阶段里，为了能够识别出多种类型的SD卡（MMC卡、SD卡、SDHC卡等），需要调用多条命令，并且根据应答数据来判断是哪种类型的卡。在初始化的时候，需要注意的是要放慢SPI的速度，这样初始化的成功率会高一些。具体初始化的过程，后面我会再整理一下，做成一张图上传的~     

（5）移植FAT32文件系统

    有了上述的基础函数之后，就可以把FAT32文件系统移植过来了，只需要把底层的驱动函数改成自己写的驱动函数就可以了~

四、总结

      前段时间，想用MSP430在SD上实现FAT32文件系统，由于时间有限，自己只完成了SD卡的底层驱动这一部分。文件系统的实现，则要感谢znFAT的团队，因为上层的文件系统是移植的他们的znFAT。感觉znFAT的可移植性真的很强，而且很稳定，移植起来还是比较顺利的~大家如果想对FAT32文件系统有深入的了解的话，可以买znFAT代码编写者写的一本书看下，目前简单翻了一遍，感觉思路很清晰的~

      最后要感谢网上众多技术达人对于SD卡驱动的总结，之前也遇到不少奇奇怪怪的问题，也是看很多他们的总结，才能顺利完成这个任务~