本設計使用8 GB的SDHC(High Capacity SD Memory Card，大容量SD存儲卡)，為了方便卡上數據在操作系統上的讀取，以及數據的進一步分析和處理，在SDHC卡上建立了FAT32文件系統。

海洋要素測量系統要求數據存儲量大、安全性高，采用可插拔式存儲卡是一種不錯的選擇。目前，可插拔式存儲卡有CF卡、U盤及SD卡。CF卡不能與計算機直接通信；U盤需要外擴接口芯片才能與單片機通信，增加了外形尺寸及功耗；而SD卡具有耐用、可靠、安全、容量大、體積小、便于攜帶和兼容性好等優點，非常適合于測量系統長期的數據存儲。

1 SD卡接口的硬件設計

STM32F103xx增強型系列是意法半導體公司生產的基于Cortex-M3的高性能的32位RISC內核，工作頻率為72 MHz，內置高速存儲器(128 KB的閃存和20 KB的SRAM)，以及豐富的增強I／O端口和連接到2條APB總線的外設。STM32F103xx系列工作于-40～+105℃的溫度范圍，供電電壓為2.0～3.6 V，與SD卡工作電壓兼容，一系列的省電模式可滿足低功耗應用的要求。

SD卡支持SD模式和SPI模式兩種通信方式。采用SPI模式時，占用較少的I／O資源。STM32F103VB包含串行外設SPI接口，可方便地與SD卡進行連接。通過4條信號線即可完成數據的傳輸，分別是時鐘SCLK、主機輸入從機輸出MISO、主機輸出從機輸入MOSI和片選CS。STM32F103VB與SD卡卡座的接口電路如圖1所示。



SD卡的最高數據讀寫速度為10 MB／s，接口電壓為2.7～3.6 V，具有9個引腳。SD卡使用卡座代替傳輸電纜，減少了環境干擾，降低了出錯率，而且1對1傳輸沒有共享信道的問題。SD卡在SPI模式下各引腳的定義如表1所列。



2 SD卡接口的軟件設計

本設計采用STM32F103VB自帶的串行外設SPI接口與SD卡進行通信，這里只介紹SPI模式的通信方式。

2.1SD卡的讀寫

先對STM32F103VB的SPI_CRl(SPI控制寄存器)以及SPI_SR(SPI狀態寄存器)進行初始化設置，使能SPI并使用主機模式；同時設置好時鐘，在時鐘上升沿鎖存數據。SPI通道傳輸的基本單位是字節，由STM32F103VB控制其和SD卡之間的所有通信。

要讀寫SD卡，首先要對其進行初始化。初始化成功后，即可通過發送相應的讀寫命令對SD卡進行讀寫。SD卡的讀寫流程如圖2所示。



2.2 SD1.x與SD2.0標準的識別

由于大容量SDHC的出現，SD1.x滿足不了SDHC的容量要求，標準已經升級為SD2.0。但也因此出現了許多電子設備無法驅動大容量SD卡的情況，如何識別SD1.x與SD2.0就顯得尤為重要。SD2.0的SPI模式初始化流程如圖3所示。



判斷是否為SD2.0卡，CMD8(SD2.0新增的命令)是關鍵。若卡是SD2.0，則發送CMD8將會返回有效響應；若是SD1.x，則返回非法響應，這樣就可以識別SD卡的類型。

SD1.x與SD2.0的最大不同在于命令地址的表示。SD1.x的地址單位是字節，而SD2.0的地址單位是扇區，地址仍然采用32位4個字節來表示。因此在讀寫操作時應該根據不同的卡對地址進行相應的處理，若是SD1.x則寫入字節地址，若為SD2.0則寫入扇區地址。

3 FAT32文件系統

目前有3種FAT文件系統：FAT12、FAT16和FAT32。它們的區別在于文件分配表(File Allocation Table，FAT)中每一表項的大小(也就是所占的位數)：FAT12為12位，FATl6為16位，FAT32為32位。本設計選擇FAT32文件系統。

由于文件存儲在硬盤上占用的存儲器空間以簇為最小單位，FAT32文件系統不適合管理容量低于512 MB的存儲器。簇如果太大，存儲小文件會浪費大量的存儲空間；如果太小，FAT表會變大，不方便管理。綜合考慮，FAT32每簇大小為4 KB。

3.1FAT32文件系統結構

FAT32文件系統可以分為以下幾部分；保留區(reserved region)，存放FAT文件系統的重要參數和引導程序；FAT區(FAT region)，記錄簇(cluster)的使用情況；根目錄區(root directory region)，記錄根目錄信息，FAT32文件系統舍棄了這個區，根目錄區可以指定為任意一個簇；文件目錄數據區(file and directory data region)，是各種文件數據實際存放的區域。

保留區中的BPB表從扇區0偏移11個字節開始，共占25字節。表2是格式化為FAT32文件系統的8 GBSD卡首扇區中讀出的BPB參數內容。



在保留區之后是FAT區，存有文件分配表。一般文件系統中有2份文件分配表FAT1和FAT2，每份FAT表占用空間的大小可從BPB表中查得。

由于采用的是SDHC卡和FAT32文件系統，緊接在FAT區之后的是文件目錄數據區，真正意義上的數據從這個區開始，以簇編號，順序上第1個簇編號為第2簇，此簇通常為FAT32根目錄所用。FAT16從根目錄所占的32個扇區之后的第一個扇區開始以簇為單位進行數據處理，這之前仍以扇區為單位。目錄與數據是統一放到這個區域的，并且都不是在一個連續的區域內存放。沒有任何特殊標記來區分哪個簇是目錄項，哪個簇是數據項，而是由文件系統從根目錄出發通過查找的方法來確定簇的類型。

3.2 FAT32文件系統實現

本文設計的文件系統采用模塊化層次結構，其總體框架如圖4所示。其中，箭頭表示調用關系。



應用程序是面向用戶的，為滿足某種功能需求而編寫的程序。可以通過調用文件系統提供的API函數對文件和目錄進行相應的操作。

文件管理和目錄管理模塊是直接與應用程序接口的模塊，位于整個文件系統的最高層。文件管理模塊提供所有與文件操作相關的函數，目錄管理模塊提供所有與目錄操作相關的函數。在對文件操作的大多數情況下，文件管理模塊需要調用目錄管理模塊的相關功能。

文件分配表管理模塊主要用來對文件系統的FAT表進行管理，根據系統的請求對FAT表的內容進行相應的修改。文件目錄表管理模塊主要提供對文件和目錄的基本屬性信息的管理。這兩個模塊管理著文件系統的兩個重要數據結構，應用程序不能直接調用它們。

緩存模塊是為了降低系統訪問SD卡的次數，提高整個系統的處理速度而加入的。它使用了部分RAM作為緩存來保存一些訪問過的扇區的數據，一般用來加載FAT表和FDT表的數據；向SD卡寫入數據時，也需要用它加載數據。

以上幾個模塊的操作都建立在底層驅動程序上。底層驅動程序主要是向SD卡讀寫某個扇區的程序。

文件分配表管理模塊包含幾個處理簇鏈的函數，如獲取指定簇下一簇簇號(fat_next_clus())、建立簇與指定簇的鏈接關系(fat_link_clus())、在簇后增加一個空白簇到簇鏈中(fat_add_clus())和刪除指定簇的簇鏈(fat_del_clus_chain())。文件目錄表管理模塊包含幾個處理文件登記項的函數，如在給定目錄下查找文件(fat_find_fdt())、在給定目錄下添加文件(fat_add_fdt())和在給定目錄下刪除文件(fat_delete_fdt())。目錄管理模塊主要是實現建立、刪除目錄的操作，包含的函數有根據路徑查找目錄所在簇(fat_open_dir())、建立目錄(fat_make_dir())和刪除目錄(fat_del_dir())。用戶使用文件系統主要是對文件的操作，文件管理模塊提供了對文件的創建、修改和刪除等操作，包含函數新建文件(file_create())、打開文件(file_open())、讀寫指針設定(file_seek())、讀取文件數據(file_read())、寫入文件數據(file_write())、刪除文件(file_delete())和關閉文件(file_close())。

結語

本文介紹了SD卡在海洋數據存儲中的應用，使用高性能的STM32F103xx系列處理器提高了SD卡的數據讀寫速率，很好地解決了海洋數據采集中的大容量存儲問題和SDl.x與SD2.0的識別問題，并給出了適用于SD卡的FAT32文件系統的參數設置及其實現方法。