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采用ARM和SD卡实现嵌入式文件系统
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SD卡
FAT16
嵌入式
作者：青岛科技大学信息科学技术学院 李宏佳 徐晓晓 魏权利
引言
随着嵌入式处理器计算机能力的不断提高，32位MPU已成为嵌入式系统应用的主流。本文针对汽车性能记录仪研发中遇到的数据存储和数据交换的问题，在
ARM
9嵌入式处理器和mC/OS-II操作系统基础上采用SD卡设计开发了一种嵌入式文件系统，该系统具有支持多操作系统、易于移植和存储速度快的特点。
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（5）
乔婧
2019-7-26 15:47:06
接口电路设计
硬件平台的控制核心采用三星公司16/32位RISC控制器S3C2410A，它采用ARM920T内核，主频可达203MHz，内部具有丰富的系统外围设备控制器，包括SD卡控制器。SD卡支持SPI和BUS两种接口模式，本系统采用BUS接口模式。S3C2410A与SD***的接口电路如图1所示。
SD卡的DAT0~DAT3、CLK(时钟线)和CMD(命令线)分别连接到S3C2410A的 GPE7~GPE10、GPE5和GPE4引脚。SD卡支持单线和4线读/写，前者通过DAT0进行数据串行传输，DAT1作为中断口，最高传输速率25Mbps；后者通过DAT0~DAT3分别进行串行数据传输，最高传输速率100Mbps。
接口电路设计
硬件平台的控制核心采用三星公司16/32位RISC控制器S3C2410A，它采用ARM920T内核，主频可达203MHz，内部具有丰富的系统外围设备控制器，包括SD卡控制器。SD卡支持SPI和BUS两种接口模式，本系统采用BUS接口模式。S3C2410A与SD***的接口电路如图1所示。
SD卡的DAT0~DAT3、CLK(时钟线)和CMD(命令线)分别连接到S3C2410A的 GPE7~GPE10、GPE5和GPE4引脚。SD卡支持单线和4线读/写，前者通过DAT0进行数据串行传输，DAT1作为中断口，最高传输速率25Mbps；后者通过DAT0~DAT3分别进行串行数据传输，最高传输速率100Mbps。
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李俊一
2019-7-26 15:47:23
SD卡嵌入式
文件系统设计与实现
整个嵌入式文件系统结构如图2所示，共分3层，包括SD卡驱动层、FAT16文件系统层和应用层。其中，SD卡驱动层又分为4层：硬件抽象层、SD卡工具函数层、SD卡命令层和SD卡操作函数接口层。SD卡嵌入式文件系统是基于SD卡需要按整块进行存储的特性建立起来的，以块为单位对SD卡进行管理，这样既便于管理，也可以屏蔽硬件的操作细节，为应用层开发提供了统一标准的API调用。为了便于与上位机进行数据交换，采用了Windows和Linux都支持的FAT16文件系统。下面具体说明各层的实现。
SD卡驱动层
驱动层是面向主控器S3C2410A和SD卡，完成SD卡控制器中相应寄存器的设置和向SD卡发送命令实现SD卡初始化、读、写等操作，目的是为其上层提供相应的功能函数，屏蔽直接对硬件的具体操作。
硬件抽象层
硬件抽象层主要完成对S3C2410A中SD卡控制器相应寄存器的设置，将对SD卡直接控制抽象为对SD卡控制器的操作。
SD卡嵌入式
文件系统设计与实现
整个嵌入式文件系统结构如图2所示，共分3层，包括SD卡驱动层、FAT16文件系统层和应用层。其中，SD卡驱动层又分为4层：硬件抽象层、SD卡工具函数层、SD卡命令层和SD卡操作函数接口层。SD卡嵌入式文件系统是基于SD卡需要按整块进行存储的特性建立起来的，以块为单位对SD卡进行管理，这样既便于管理，也可以屏蔽硬件的操作细节，为应用层开发提供了统一标准的API调用。为了便于与上位机进行数据交换，采用了Windows和Linux都支持的FAT16文件系统。下面具体说明各层的实现。
SD卡驱动层
驱动层是面向主控器S3C2410A和SD卡，完成SD卡控制器中相应寄存器的设置和向SD卡发送命令实现SD卡初始化、读、写等操作，目的是为其上层提供相应的功能函数，屏蔽直接对硬件的具体操作。
硬件抽象层
硬件抽象层主要完成对S3C2410A中SD卡控制器相应寄存器的设置，将对SD卡直接控制抽象为对SD卡控制器的操作。
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李新梅
2019-7-26 15:47:34
SD卡工具函数层
本层实现CRC校验，所有的命令(Command)和响应(Response，R3响应除外)使用CRC7校验，生成多项式为：G(x)=x7+x3+1；数据校验采用CRC16，生成多项式为：G(x)=x16+x12+x5+1。CRC7校验采用直接编程计算的方法， CRC16采用查G(x)=x16+x12+x5+1余式表的方法。
SD卡命令层
本层宏定义了各种命令和响应，实现了向SD卡发送各种命令的函数SD_SendCmd()和读写SD卡内部寄存器等功能。SD总线上以位流的方式传送命令和数据，分别以0和1表示起始和停止。SD卡读写时序如图3所示。
Command发起每个操作，通过CMD线串行传输的。SD卡标准定义了两种命令：ACMD(Application specific command)和GEN-CMD(General command)，后者可直接发送，所有的ACMD命令在发送前必须先发送CMD55命令， Response是卡对命令的响应，包括R1、R1b、R2、R3四种类型，通过CMD线传输。Data block通过DAT数据线传输，在写操作过程中，由DAT0线传输busy信号。
SD卡操作函数接口层
本层目的是为FAT16文件系统层提供所需的SD卡操作函数，主要包括：SD_Initialize()-初始化SD卡；SD_GetCardInfo()-获得SD卡信息；SD_CalTimeout()-计算读/写/擦超时时间；SD_ReadBlock()-读单块数据；SD_ReadMultiBlock()-读多个块数据；SD_WriteBlock()-向SD卡中写入一个块；SD_Write MultiBlock()-向SD卡写入多块数据；SD_EraseBlock()-擦除SD卡中的块。以单块数据写为例说明，当SD卡接收到单块写命令CMD24后，卡将发送给主机一个应答令牌，并且等待主机发送一个发送数据块来，当应答R1为0时，说明可以发送数据，块大小设置为512字节，卡对每个数据块返回1字节长的应答令牌，当其低5位为00101时，数据块被正确写入SD卡。数据块之后附有CRC校验，如果校验失败，则所传输的数据会被丢掉，数据传输被终止。
FAT16文件系统层
文件系统层向应用层提供了对文件和目录进行操作的API接口函数。要使写入SD卡的数据在装有Windows或Linux操作系统的上位机中得到正确访问，需要在SD卡上创建它们支持的文件系统，考虑到文件系统在嵌入式设备上实现的方便性和SD卡的应用规模，选择了建立FAT16文件系统。
SD卡工具函数层
本层实现CRC校验，所有的命令(Command)和响应(Response，R3响应除外)使用CRC7校验，生成多项式为：G(x)=x7+x3+1；数据校验采用CRC16，生成多项式为：G(x)=x16+x12+x5+1。CRC7校验采用直接编程计算的方法， CRC16采用查G(x)=x16+x12+x5+1余式表的方法。
SD卡命令层
本层宏定义了各种命令和响应，实现了向SD卡发送各种命令的函数SD_SendCmd()和读写SD卡内部寄存器等功能。SD总线上以位流的方式传送命令和数据，分别以0和1表示起始和停止。SD卡读写时序如图3所示。
Command发起每个操作，通过CMD线串行传输的。SD卡标准定义了两种命令：ACMD(Application specific command)和GEN-CMD(General command)，后者可直接发送，所有的ACMD命令在发送前必须先发送CMD55命令， Response是卡对命令的响应，包括R1、R1b、R2、R3四种类型，通过CMD线传输。Data block通过DAT数据线传输，在写操作过程中，由DAT0线传输busy信号。
SD卡操作函数接口层
本层目的是为FAT16文件系统层提供所需的SD卡操作函数，主要包括：SD_Initialize()-初始化SD卡；SD_GetCardInfo()-获得SD卡信息；SD_CalTimeout()-计算读/写/擦超时时间；SD_ReadBlock()-读单块数据；SD_ReadMultiBlock()-读多个块数据；SD_WriteBlock()-向SD卡中写入一个块；SD_Write MultiBlock()-向SD卡写入多块数据；SD_EraseBlock()-擦除SD卡中的块。以单块数据写为例说明，当SD卡接收到单块写命令CMD24后，卡将发送给主机一个应答令牌，并且等待主机发送一个发送数据块来，当应答R1为0时，说明可以发送数据，块大小设置为512字节，卡对每个数据块返回1字节长的应答令牌，当其低5位为00101时，数据块被正确写入SD卡。数据块之后附有CRC校验，如果校验失败，则所传输的数据会被丢掉，数据传输被终止。
FAT16文件系统层
文件系统层向应用层提供了对文件和目录进行操作的API接口函数。要使写入SD卡的数据在装有Windows或Linux操作系统的上位机中得到正确访问，需要在SD卡上创建它们支持的文件系统，考虑到文件系统在嵌入式设备上实现的方便性和SD卡的应用规模，选择了建立FAT16文件系统。
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王桂香
2019-7-26 15:47:40
FAT16文件系统的结构
文件系统由4部分组成：系统记录区(System Record Region)，FAT表区(FAT Region)，文件登记表区(File Register Table Region)，数据区(Data Region)。
1. 系统记录区通常包含4块内容：BIOS参数记录块BPB(BIOS Parameter Block)，磁盘标志记录表，分区引导记录代码区和结束标志0x55AA。BPB表从扇区字节位移0x0b开始,占25字节。
2. FAT16的文件系统中有两份完全相同的文件分配表FAT1和FAT2，每份FAT表占用空间的大小可从BPB表中查得。文件在磁盘上以簇为单位存储,但是同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘的一个连续的区域内，往往会分成若干簇，FAT表就是记录文件存储中簇与簇之间连接信息的，这就是文件的链式存储。FAT16文件系统采用16位字长的分配表，最多可以管理216个基本存储单元。
3. 文件目录表FDT固定占32个扇区，每个扇区可以容纳16个登记项，每个登记项长32字节，记录了每个文件的代号、长度、属性、目录、生成和最后修改的时间以及文件的存储链在文件分配表中的入口。
4. 数据区用来存放文件数据，占用大部分磁盘空间，本系统定义其1块为512字节。
FAT16文件系统的结构
文件系统由4部分组成：系统记录区(System Record Region)，FAT表区(FAT Region)，文件登记表区(File Register Table Region)，数据区(Data Region)。
1. 系统记录区通常包含4块内容：BIOS参数记录块BPB(BIOS Parameter Block)，磁盘标志记录表，分区引导记录代码区和结束标志0x55AA。BPB表从扇区字节位移0x0b开始,占25字节。
2. FAT16的文件系统中有两份完全相同的文件分配表FAT1和FAT2，每份FAT表占用空间的大小可从BPB表中查得。文件在磁盘上以簇为单位存储,但是同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘的一个连续的区域内，往往会分成若干簇，FAT表就是记录文件存储中簇与簇之间连接信息的，这就是文件的链式存储。FAT16文件系统采用16位字长的分配表，最多可以管理216个基本存储单元。
3. 文件目录表FDT固定占32个扇区，每个扇区可以容纳16个登记项，每个登记项长32字节，记录了每个文件的代号、长度、属性、目录、生成和最后修改的时间以及文件的存储链在文件分配表中的入口。
4. 数据区用来存放文件数据，占用大部分磁盘空间，本系统定义其1块为512字节。
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