大容量SD卡在海洋數(shù)據(jù)存儲中的應(yīng)用

1、標(biāo)題：大容量SD卡在海洋數(shù)據(jù)存儲中的應(yīng)用單位：河北科技大學(xué)電氣學(xué)院姓名：趙鴻健二一三年十一月大容量SD卡在海洋數(shù)據(jù)存儲中的應(yīng)用趙鴻健 自動化SY12 學(xué)號：120802235 選課序號：引 言: 海洋要素測量系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)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(jī)直接通信;U盤需要外擴(kuò)接口芯片才能與單片機(jī)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(yōu)點,非常適合于測量系統(tǒng)長期的數(shù)據(jù)存儲。正文1. 本設(shè)計使用8GB的SDHC(,大容量SD存儲卡),為了方便卡上數(shù)據(jù)在操作系統(tǒng)

2、上的讀取,以及數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析和處理,在SDHC卡上建立了FAT32文件系統(tǒng)。 1 SD卡接口的硬件設(shè)計 STM32F103xx增強(qiáng)型系列是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 基于Cortex-M3的高性能的32位RISC內(nèi)核,工作頻率為72MHz,內(nèi)置高速存儲器(128KB的閃存和20KB的SRAM),以及豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接到2條APB總線的外設(shè)2 。STM32F103xx系列工作于-40+105e的溫度范圍,供電電壓為2.03.6V,與SD卡工作電壓兼容,一系列的省電模式可滿足低功耗應(yīng)用的要求。海洋要素測量系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)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

3、CF卡、U盤及SD卡。CF卡不能與計算機(jī)直接通信；U盤需要外擴(kuò)接口芯片才能與單片機(jī)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(yōu)點，非常適合于測量系統(tǒng)長期的數(shù)據(jù)存儲。本設(shè)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(shù)據(jù)在操作系統(tǒng)上的讀取，以及數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析和處理，在SDHC卡上建立了FAT32文件系統(tǒng)。1SD卡接口的硬件設(shè)計STM32F103xx增強(qiáng)型系列是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的基于Cortex-M3的高性能的32位RISC內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)置高速存儲器(12

4、8 KB的閃存和20 KB的SRAM)，以及豐富的增強(qiáng)IO端口和連接到2條APB總線的外設(shè)。STM32F103xx系列工作于-40+105的溫度范圍，供電電壓為2.03.6 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(yīng)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IO資源。STM32F103VB包含串行外設(shè)SPI接口，可方便地與SD卡進(jìn)行連接。通過4條信號線即可完成數(shù)據(jù)的傳輸，分別是時鐘SCLK、主機(jī)輸入從機(jī)輸出MISO、主機(jī)輸出從機(jī)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(shù)據(jù)讀寫速度為10 M

5、Bs，接口電壓為2.73.6 V，具有9個引腳。SD卡使用卡座代替?zhèn)鬏旊娎|，減少了環(huán)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(shè)計本設(shè)計采用STM32F103VB自帶的串行外設(shè)SPI接口與SD卡進(jìn)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(tài)寄存器)進(jìn)行初始化設(shè)置，使能SPI并使用主機(jī)模式；同時設(shè)置好時鐘，在時鐘上升沿鎖存數(shù)據(jù)。SPI通道傳輸?shù)幕締挝皇亲止?jié)，由STM32F103VB控制其和SD卡之間的所有通信。要讀

6、寫SD卡，首先要對其進(jìn)行初始化。初始化成功后，即可通過發(fā)送相應(yīng)的讀寫命令對SD卡進(jìn)行讀寫。SD卡的讀寫流程如圖2所示。的減肥黑色空間和富士康將恢復(fù)判斷是否為SD2.0卡，CMD8(SD2.0新增的命令)是關(guān)鍵。若卡是SD2.0，則發(fā)送CMD8將會返回有效響應(yīng)；若是SD1.x，則返回非法響應(yīng)，這樣就可以識別SD卡的類型。3 FAT32文件系統(tǒng)目前有3種FAT文件系統(tǒng)：FAT12、FAT1*FAT32。它們的區(qū)別在于文件分配表(File Allocation Table，F(xiàn)AT)中每一表項的大小(也就是所占的位數(shù))：FAT12為12位，F(xiàn)ATl6為16位，F(xiàn)AT32為32位。本設(shè)計選擇FAT32文

7、件系統(tǒng)。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，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)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(fèi)大量的存儲空間；如果太小，F(xiàn)AT表會變大，不方便管理。綜合考慮，F(xiàn)AT32每簇大小為4 KB。3.1FAT32文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)FAT32文件系統(tǒng)可以分為以下幾部分；保留區(qū)(reserved region)，存放FAT文件系統(tǒng)的重要參數(shù)和引導(dǎo)程序；FAT區(qū)(FAT region)，記錄簇(cluster)的使用情況；根目錄區(qū)(root directory region)，記錄根目錄信息，F(xiàn)AT32文件系統(tǒng)舍棄了這個區(qū)，根目錄區(qū)可以指定為任意一個簇；文件目錄

8、數(shù)據(jù)區(qū)(file and directory data region)，是各種文件數(shù)據(jù)實際存放的區(qū)域。保留區(qū)中的BPB表從扇區(qū)0偏移11個字節(jié)開始，共占25字節(jié)。表2是格式化為FAT32文件系統(tǒng)的8 GBSD卡首扇區(qū)中讀出的BPB參數(shù)內(nèi)容。在保留區(qū)之后是FAT區(qū)，存有文件分配表。一般文件系統(tǒng)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(tǒng)，緊接在FAT區(qū)之后的是文件目錄數(shù)據(jù)區(qū)，真正意義上的數(shù)據(jù)從這個區(qū)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(qū)之后的第

9、一個扇區(qū)開始以簇為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這之前仍以扇區(qū)為單位。目錄與數(shù)據(jù)是統(tǒng)一放到這個區(qū)域的，并且都不是在一個連續(xù)的區(qū)域內(nèi)存放。沒有任何特殊標(biāo)記來區(qū)分哪個簇是目錄項，哪個簇是數(shù)據(jù)項，而是由文件系統(tǒng)從根目錄出發(fā)通過查找的方法來確定簇的類型。3.2 FAT32文件系統(tǒng)實現(xiàn)本文設(shè)計的文件系統(tǒng)采用模塊化層次結(jié)構(gòu)，其總體框架如圖4所示。其中，箭頭表示調(diào)用關(guān)系。應(yīng)用程序是面向用戶的，為滿足某種功能需求而編寫的程序?？梢酝ㄟ^調(diào)用文件系統(tǒng)提供的API函數(shù)對文件和目錄進(jìn)行相應(yīng)的操作。文件管理和目錄管理模塊是直接與應(yīng)用程序接口的模塊，位于整個文件系統(tǒng)的最高層。文件管理模塊提供所有與文件操作相關(guān)的函數(shù)，目錄管理模塊提供

10、所有與目錄操作相關(guān)的函數(shù)。在對文件操作的大多數(shù)情況下，文件管理模塊需要調(diào)用目錄管理模塊的相關(guān)功能。文件分配表管理模塊主要用來對文件系統(tǒng)的FAT表進(jìn)行管理，根據(jù)系統(tǒng)的請求對FAT表的內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)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(tǒng)的兩個重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用程序不能直接調(diào)用它們。緩存模塊是為了降低系統(tǒng)訪問SD卡的次數(shù)，提高整個系統(tǒng)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(qū)的數(shù)據(jù)，一般用來加載FAT表和FDT表的數(shù)據(jù)；向SD卡寫入數(shù)據(jù)時，也需要用它加載數(shù)據(jù)。以上幾個模塊的操作都建立在底層驅(qū)動程序上。底層驅(qū)動程序主要是向SD卡讀寫某個扇區(qū)的程序。文件分配表管理模塊包含幾個處理簇鏈的函數(shù)，如獲取指定簇下一簇簇號、建立簇與指定簇的鏈接關(guān)系、在簇后增加一個空白簇到簇鏈中和刪除指定簇的簇鏈。文件目錄表管理模塊包含幾個處理文件登記項的函數(shù)，如在給定目錄下查找文件 、在給定目錄下添加文件和在給定目錄下刪除文件。目錄管理模塊主要是實現(xiàn)建立、刪除目錄的操作，包含的函數(shù)有根據(jù)路徑查找目錄所在簇、建立目錄和刪除目錄。用戶使用文件系統(tǒng)主要是對文件的操作，文件管理