費 超，趙英俊

（華中科技大學 機械科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS具有源代碼公開、良好的實時性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中，特別是實時數(shù)據(jù)采集與處理的嵌入式系統(tǒng)。這種嵌入式系統(tǒng)往往需要存儲大量的數(shù)據(jù)，并且需要將存儲的數(shù)據(jù)方便地轉(zhuǎn)移到PC平臺進行后續(xù)的離線分析。

常見的嵌入式系統(tǒng)往往采用EEPROM外部存儲芯片，容量小、速度慢而且不便于數(shù)據(jù)的移動，因此需要結(jié)合硬件平臺選擇一種大容量且具有移動靈活性的存儲設(shè)備。另外，考慮到在PC平臺的離線處理的便捷需要，存儲系統(tǒng)采用廣泛應(yīng)用的FAT文件系統(tǒng)。

1 方案選擇

由于S3C2440具有專門的SDIO接口，且SD卡具有容量大、速度快、移動靈活和安全性高等優(yōu)點[1]。綜合考慮，選擇采用SD卡作為移動存儲設(shè)備。

軟件設(shè)計上，首先要實現(xiàn)在μC/OS下的SD卡驅(qū)動，同時要保證兼容標準SD卡和SDHC卡。完成SD卡驅(qū)動后，還要在基于μC/OS的嵌入式系統(tǒng)中方便地實現(xiàn)對FAT文件系統(tǒng)下的文件的多種操作。如果從無到有設(shè)計FAT文件系統(tǒng)軟件模塊，將費時費力并且難以保證軟件模塊的可靠性。因此，最好的方案是采用通用的FAT文件系統(tǒng)軟件模塊，只需要進行較少的移植工作，完成項目效率大大增加。

通用的 FAT 文件系統(tǒng)主要有 μC/FS、FatFs、EFSL、ZLG/FS、znFAT等。其中μC/FS是Micrium公司開發(fā)的一個商業(yè)用途的文件系統(tǒng)，兼容性、穩(wěn)定性較好。ZLG/FS和znFAT主要面向?qū)W習用途。而FatFs是免費開源的項目，具有代碼精簡、易于移植、支持RTOS、支持Unicode長文件名等特點，特別是其提供的底層讀寫函數(shù)，具有讀寫塊數(shù)量的參數(shù)，可以一次命令讀寫多個扇區(qū)，在速度與效率上具有明顯優(yōu)勢，而μC/FS和EFSL都不提供塊數(shù)量參數(shù)。因此，選擇FatFs作為文件系統(tǒng)軟件模塊。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the system

總體方案采用基于SDIO接口的SD卡存儲設(shè)備和FatFs文件系統(tǒng)，其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。SD卡從S3C2440微處理器的SDIO接口接入硬件層，通過SD卡驅(qū)動程序提供給FatFs文件系統(tǒng)進行管理，然后用戶在功能層調(diào)用FatFs提供的文件接口函數(shù)進行數(shù)據(jù)存儲等任務(wù)。

2 硬件電路

如圖2所示為本次SD卡硬件電路圖，其中S3C2440微處理器上有SDIO控制器，連接的SD總線包括時鐘線CLK、命令線CMD及4根數(shù)據(jù)線 （DAT0~DAT3）[2]。S3C2440通過SDIO接口與SD卡座相連，其中卡座上除了6根SD總線外，還有3根電源線，以及無卡檢測引腳nCD和寫保護引腳WP。其中nCD和WP是連接到卡座上的兩個常開型機械開關(guān)，開關(guān)的另一端接地。當插入SD卡時，開關(guān)合上，nCD從高電平變?yōu)榈碗娖?，當插入的是未寫保護的SD卡時，另一個開關(guān)也會合上，WP從高電平變?yōu)榈碗娖剑床迦隨D卡以及插入寫保護的SD卡時，WP被上拉成高電平。SD卡側(cè)面的寫保護的撥動開關(guān)實現(xiàn)寫保護的原理不是通過開閉SD卡內(nèi)部的線路，而是通過不同位置作用于SD卡座內(nèi)的機械彈性開關(guān)的開閉。SD卡有9個引腳，支持SD和SPI兩種總線方式，其中SD總線方式又分為1位數(shù)據(jù)模式和4位數(shù)據(jù)模式，本文設(shè)計采用采用4位數(shù)據(jù)模式，可以獲得更高傳輸速率，具體過程在SD卡驅(qū)動中實現(xiàn)。

圖2 硬件電路圖Fig.2 Hardware circuit diagram

3 軟件實現(xiàn)

3.1 SD卡驅(qū)動

SD卡驅(qū)動程序的功能是給FatFs文件系統(tǒng)提供對SD卡的讀寫操作接口，屏蔽掉上層軟件對硬件的直接操作，其中主要包括初始化SD卡、讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)等?，F(xiàn)在市場上的SD卡有SD1.0協(xié)議下的標準容量卡、SD2.0協(xié)議下的標準容量卡和高容量卡（SDHC），為了使驅(qū)動程序兼容性好，必須同時支持這些類型。

在初始化SD卡時，要識別并記錄SD卡的類型，然后在讀寫數(shù)據(jù)時，根據(jù)不同類型進行操作。SD卡通信是由主機控制，通過CMD線發(fā)出不同類型的命令（Command），然后被尋址的SD卡在CMD線上產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)（Response），當CMD線上是數(shù)據(jù)傳輸命令時，數(shù)據(jù)線DAT0或DAT0~DAT3接著進行數(shù)據(jù)傳輸。

SD卡初始化流程圖如圖 3所示，最開始初始化SD卡控制器時，配置SD卡工作在傳輸效率較高的4位數(shù)據(jù)傳輸模式。命令CMD0實現(xiàn)復位SD卡，使其進入到空閑狀態(tài)，命令CMD8是SD2.0協(xié)議新增加的接口條件檢查命令，用來檢查電壓匹配和擴展SD1.0協(xié)議中某些原有命令的功能，例如命令A(yù)CMD41在參數(shù)中增加了HCS（Host Capacity Support）位，在響應(yīng)中增加了CCS（Card Capacity Status）位，同時也能根據(jù)SD卡是否產(chǎn)生響應(yīng)來判斷SD卡版本，SD1.0版本的SD卡不能識別該命令，不會產(chǎn)生響應(yīng)。同時通過SD卡返回的響應(yīng)中的CCS位來判斷是否為SDHC卡。另外，針對讀寫SD卡時的差異，將SD卡總結(jié)為兩種類型，標準容量SD卡 （包括SD1.0和SD2.0標準容量卡）和高容量SD卡，在后面進行讀寫數(shù)據(jù)時，要分別處理。最后發(fā)送命令CMD2和CMD3使SD卡從卡識別模式進入數(shù)據(jù)傳輸模式，處于等待狀態(tài)，后面可以發(fā)送相關(guān)存儲器訪問命令。

在本設(shè)計中，結(jié)合FatFs的移植需要，將用到的存儲器訪問 命 令 有 塊 讀 取 命 令 （CMD17，CMD18）， 塊 寫 入 命 令（CMD24，CMD25），其中 CMD17和 CMD24為單塊操作命令，CMD18和CMD25為連續(xù)多塊操作命令[3]。以下為標準容量SD卡和高容量SD卡在存儲器訪問命令上的主要功能區(qū)別。

1）存儲器訪問的命令參數(shù)（Command Argument）。標準容量SD卡的32位命令參數(shù)是對字節(jié)尋址，高容量SD卡的命令參數(shù)是對塊尋址。

2）塊長度。標準容量SD卡的塊長度根據(jù)CMD16命令設(shè)置大小，而高容量SD卡的塊大小固定為512字節(jié)，必須設(shè)置塊大小寄存器為0x200。

除此之外，兩者還有局部尋址、寫保護、讀寫超時等方面的區(qū)別，針對以上主要區(qū)別，采用以下解決辦法實現(xiàn)同時兼容兩種SD卡。讀寫數(shù)據(jù)函數(shù)給上層文件系統(tǒng)模塊提供對SD卡的塊地址訪問，并統(tǒng)一塊大小為512Byte。如圖 4為SD卡讀取單塊數(shù)據(jù)的流程圖，在發(fā)送讀取命令CMD17前先根據(jù)初始化SD卡時確定的卡類型來進行處理。

圖3 SD卡初始化流程圖Fig.3 SD cardinitialization flow chart

提供的變量是塊地址，因此可以直接作為高容量卡的命令參數(shù)，而標準容量SD卡的命令參數(shù)是字節(jié)單位，需要塊地址乘以塊大?。?12Byte），即左移9位，轉(zhuǎn)換為字節(jié)地址。其他塊讀寫命令CMD18、CMD24、CMD25處理辦法與此相同，實現(xiàn)多塊讀取函數(shù)、單塊寫入函數(shù)、多塊寫入函數(shù)。

圖4 讀取單塊數(shù)據(jù)流程圖Fig.4 Flow chart of reading a block

SD卡驅(qū)動程序還支持SD卡插拔檢測和寫保護功能。配置無卡檢測接入引腳為外部中斷方式，并設(shè)計中斷處理函數(shù)，隨時通知軟件系統(tǒng)當前SD卡的插拔狀態(tài)。SD卡的寫保護采用軟件方式實現(xiàn)，實現(xiàn)方法有兩種，一種是在SD卡的兩個寫數(shù)據(jù)的驅(qū)動函數(shù)開始處加入查詢寫保護引腳狀態(tài)，一旦寫保護開啟，則通知軟件系統(tǒng)，并取消執(zhí)行后面寫數(shù)據(jù)流程。另一種可選方法是在FatFs文件系統(tǒng)層實現(xiàn)。

3.2 FatFs文件系統(tǒng)移植

FatFS是一個為小型嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的通用FAT文件系統(tǒng)模塊。FatFs的編寫遵循ANSI C，并且完全與磁盤I/O層分開。因此，它獨立于硬件架構(gòu)。它可以被嵌入到低成本的微控制器中而不需要做任何修改。FatFs已經(jīng)封裝了對文件系統(tǒng)層和磁盤管理層的操作。對它的移植，主要在于配置FatFs功能和寫好SD卡驅(qū)動接口[4]。

FatFs的配置選項在ffconf.h中，實現(xiàn)文件系統(tǒng)接口函數(shù)的剪裁，需要結(jié)合嵌入式系統(tǒng)硬件平臺和具體應(yīng)用來設(shè)置。由于本次系統(tǒng)平臺是小端模式，為了獲得較好的軟件性能，_WORD_ACCESS設(shè)為1，配置為字訪問，比字節(jié)訪問快；由于SD卡屬于Menory Card，_MAX_SS必須設(shè)為512，代表塊大小最大為512 Byte；其他采用默認設(shè)置即可。

底層接口函數(shù)有6個，位于diskio.c中，主要是調(diào)用SD卡驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)。

1）disk_initialize（）：磁盤初始化函數(shù)，調(diào)用 SD 卡初始化函數(shù)實現(xiàn)。

2）disk_read：讀扇區(qū)函數(shù)，調(diào)用SD卡塊讀取函數(shù)實現(xiàn)。

3）disk_write：寫扇區(qū)函數(shù)，調(diào)用SD卡塊寫入函數(shù)實現(xiàn)。

4）disk_status：狀態(tài)檢測函數(shù)，共包含三種返回狀態(tài)，包括STA_NOINIT （ 未 初 始 化 ）、STA_NODISK （ 無 磁 盤 ）、STA_PROCTECTED（卡保護）。可以在此處查詢SD卡寫保護引腳的狀態(tài)，返回STA_POCTECTED卡保護狀態(tài)。正常返回0即可。

5）disk_ioctl：磁盤控制函數(shù)，包括獲取磁盤容量等，在文件系統(tǒng)實現(xiàn)一些復雜功能時會用到，簡單應(yīng)用直接返回0即可。

6）get_fattime：獲取當前系統(tǒng)時間，查詢 S3C2440的實時時鐘[5]，并轉(zhuǎn)換為32位無符號整數(shù)返回即可。

完成FatFs移植后，上層應(yīng)用經(jīng)常訪問的API有：f_mount（）注冊或注銷一個工作區(qū)域、f_open（）打開或創(chuàng)建一個文件、f_close（）關(guān)閉文件、f_read（）讀取數(shù)據(jù)、f_write（）寫數(shù)據(jù)、f_lseek（）移動讀寫指針等。

4 實驗測試

在μC/OS系統(tǒng)下增加數(shù)據(jù)存儲任務(wù)測試FatFs文件系統(tǒng)能否滿足本次數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)保存的需要。其中數(shù)據(jù)采集部分是采用一個具有SPI接口的TLC2543模數(shù)轉(zhuǎn)換器以200 Hz的采樣頻率采集12位精度的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲任務(wù)實現(xiàn)將采集任務(wù)發(fā)送過來的緩存數(shù)據(jù)保存到SD卡中，存儲任務(wù)[6]設(shè)計如圖5所示。

采集并保存半小時的數(shù)據(jù)到SD卡中，關(guān)機后，將SD卡取出插入到計算機中，將文件中的數(shù)據(jù)繪制曲線，與數(shù)據(jù)采集輸入的信號吻合，驗證了FAT文件系統(tǒng)能夠正常工作，并且已經(jīng)滿足當前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的需求。另外，系統(tǒng)運行過程中，由于軟件實現(xiàn)了無卡檢測功能，支持熱插拔，系統(tǒng)可以長時間工作仍能穩(wěn)定運行。

圖5 數(shù)據(jù)存儲任務(wù)流程圖Fig.5 Flow chart of data storage task

5 結(jié) 論

本設(shè)計在硬件上采用S3C2440的SDIO接口實現(xiàn)底層驅(qū)動，軟件上采用FatFs實現(xiàn)μC/OS下FAT文件系統(tǒng)的管理，滿足數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)移動的需求。其中兼容標準SD卡和SDHC卡的驅(qū)動實現(xiàn)方法可以應(yīng)用到其他具有SDIO接口的硬件平臺，通用性好。另外，F(xiàn)atFs經(jīng)過了大量用戶的使用和測試，運行穩(wěn)定可靠，并且其具有較多的上層接口，可以應(yīng)用于更多復雜文件管理功能的任務(wù)。

[1]劉榮林，程曉東.基于ARM和μC/OS的SD卡文件系統(tǒng)設(shè)計[J].內(nèi)蒙古大學學報：自然科學版，2009， 40（3）:309-314.

LIU Rong-lin，CHENG Xiao-dong.Design of the SD card file systems based on ARM and μC/OS-Ⅱ [J].Journ al of Inner Mongolia University：Natural Science，2009，40（3）:309-314.

[2]師超.SDIO接口的軟硬件實現(xiàn)及性能評估[D].南京:東南大學，2006.

[3]SD Card Association.SD SpecificationsPart1:Physical LayerSimplifiedSpecification Version 2.00[EB/OL].（2006-09-25）[2013-03-10].https://www.sdcard.org/downloads/pls/simplified_specs/archive/part1_200.pdf.

[4]李世奇，董浩斌，李榮生.基于FatFs文件系統(tǒng)的SD卡存儲器設(shè)計[J].測控技術(shù)，2011（12）：79-81.

LI Shi-ji，DONG Hao-bin，LI Rong-sheng.Design of SD memory card based on FatFs file system[J].Measurement&Control Technology，2011（12）:79-81.

[5]Samsungsemiconductor.S3C2440A32-BitCMOSMicrocontroller User’s Manual[EB/OL].（2004-06-03）[2013-3-11]http://wenku.baidu.com/view/2adfbaea5ef7ba0d 4a733b54.html.

[6]周慈航.基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的程序設(shè)計技術(shù)[M].2版.北京:北京航空航天大學出版社，2011.