基于SD卡的FAT32文件系統設計與實現

李敏++侯亞玲++劉穎

摘 要：為解決嵌入式系統中便攜式存儲設備的大容量數據存儲問題，并便于對數據進行查詢、讀取及分析，系統采用具備SD卡插座的Cortex M3處理器平臺，分析了SD卡的驅動實現，并按照FAT32文件系統規范進行文件系統設計。設計使用c語言進行開發，通過系統采集實時溫度，并將數據按照一定的格式規范存儲在SD卡的文件中；通過讀取SD卡進行數據的查詢、讀取。經反復測試，系統運行穩定，數據的存儲及讀取都很可靠，且軟件便于移植，可應用于大容量數據采集的系統中。

關鍵詞：SD卡；FAT32文件系統；SPI；ds18b20

中圖分類號：TP39；TN915.41 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）07-00-03

0 引 言

隨著嵌入式技術的飛速發展，很多嵌入式系統都需要大容量的存儲設備，用于數據存儲。而當前，常用的存儲設備有U盤、移動硬盤、Flash芯片、SD卡等，它們各有優缺點。綜合考慮在系統設計時的性價比、功耗及體積等要求時，SD卡無疑是一個非常好的選擇。隨著存儲技術的發展，其容量也越來越大，可以達到32 G以上，且支持SPI接口，同時SD卡有幾種不同的體積可供選擇，可滿足不同的設計及應用要求。

具備SPI接口的嵌入式系統只需4個I/O接口就可以擴展達32 G以上的外部存儲器，存儲容量不等，設備更換方便，程序在不同的設備上移植也更簡單。基于以上優點，SD卡在嵌入式市場得到廣泛應用，成為存儲設備的首選。然而SD卡中的數據以塊的形式進行存儲，不便于數據的組織管理，為了能夠在PC端有效的對數據進行存儲、管理、查詢及讀取，需要對SD卡進行文件系統的設計。一般而言，PC端可直接對其進行格式化后直接使用，而在嵌入式系統中，需要設計FAT文件系統對其進行數據管理。

1 SD卡驅動設計

SPI有9個引腳，支持兩種操作模式，即SD卡模式（SDIO通信）和SPI模式[1]。SD卡模式允許4線的高速數據傳輸模式，但需要MCU帶SD卡控制器，設計中會增加產品的硬件成本；SPI模式通過SPI總線接口與SD卡通信。

設計中采用的MCU為Cortex M3，它是一種低功耗、內核架構為ARM7的控制器，自帶SPI控制器。處理器平臺SD卡硬件連接電路均已完成，采用SPI連接方式。

系統使用SPI模式。系統上電后，設置SD卡模式轉換為SPI模式。在SD卡收到復位命令（CMO）時，CS引腳被拉低，進入SPI模式。上電后，因為SD卡內部供電電壓上升時間需要大約64個CLK，還需要10個CLK用于SD卡同步，在發送CMO指令前，發送至少74個系統CLK，初始化時，CLK最大不得超過400 kHz。

通過SD卡初始化就可以知道SD卡的類型，讀寫數據。SD卡讀取數據通過 CMD17實現，具體過程如下：

（1）發送 CMD17；

（2）接收卡響應 R1；

（3）接收數據起始令牌 0XFE；

（4）接收數據；

（5）接收 2 個字節的 CRC，如果不使用CRC，這兩個字節在讀取后可以丟掉。

（6）禁止片選之后發送8個CLK；

SD卡的寫和讀數據過程基本相同，寫數據通過CMD24實現[2]，具體過程如下：

（1）發送CMD24；

（2）接收卡響應R1；

（3）發送寫數據起始令牌0XFE；

（4）發送數據；

（5）發送2 B的偽CRC；

（6）禁止片選之后多發8個CLK。

2 FAT32文件系統介紹

為了有效管理寫入SD卡的數據，使SD卡在PC機端能夠被有效訪問，必須將SD卡中的數據以文件形式存儲，需要在SD卡中創建常用的文件系統。目前，SD卡的容量越來越大，因此設計中采用FAT32文件系統。

在設計中使用了FATFS，它是一種開源免費且專用于小型嵌入式系統的文件系統模塊，硬件獨立性強，是Windows系統兼容的文件系統格式，其代碼特點與平臺無關，支持長文件名、多種大小的扇區[3]。基于此特點，FATFS的使用非常廣泛，其層次結構如圖1所示。

應用層用戶只需調用FATFS模塊提供給用戶接口函數，就可在PC機上對SD卡進行讀寫操作[4]。中間層FATFS模塊實現了FAT文件的讀/寫協議，使用中一般不做修改，可直接將相關頭文件包含在應用程序中。編寫移植代碼的是FATFS模塊提供的底層接口，包括存儲媒介讀/寫接口以及提供文件創建修改時間的實時時鐘。在FATFS源碼包中，需要修改的是與平臺相關的代碼diskio.c，即FATFS和disk I/O模塊接口層文件[5]。

FATFS模塊在移植時，只需修改2個文件，即ffconf.h 和 diskio.c。FATFS模塊的所有配置項都存放在ffconf.h中，可以通過配置一些選項來滿足設計的需求。對于SD卡的一些操作特性，可修改ffconf.h中的宏定義來實現，比如宏_FS_READONLY將其設置為0，即表示對SD卡進行讀寫權限的操作，_USE_MKFS為1表示使能SD卡的格式化操作等。

FATFS的移植主要分為3個步驟：

（1）在 integer.h 里定義好數據的類型；

（2）根據對SD卡的功能需要，通過 ffconf.h配置FATFS的相關功能；

（3）函數編寫：打開 diskio.c以進行底層驅動編寫，實現 6個接口函數的編寫，如圖2所示。

通過上述步驟就可以完成FATFS的移植。

3 FAT32文件系統設計

FAT32文件系統的設計包括以下步驟：

（1）程序初始化。定義兩個結構體變量，其類型分別為DIR與FILINFO[6]。其中，DIR結構體表示文件夾目錄相關信息，例如文件夾cewen，文件夾下有文件wendu1.txt，wendu2.txt，wendu3.txt以及文件夾cw。DIR用來存儲LM、limin的目錄信息，FILINFO用來存儲limin1.txt，limin2.txt，limin3.txt。

DIR cewendir；//臨時目錄信息

FILE fileinfo；//臨時文件信息

（2）程序初始化中要初始化內存，因為文件信息分配的內存空間大，一般存儲在內部RAM中，也可存放在外部RAM中。先初始化內存，再申請fata所用到的變量分配內存空間。

mem_init（SRAMIN）；//初始化內部內存池

exfuns_init（ ）；//為FATFS相關變量申請內存[7]

（3）掛載SD卡。只有掛載了SD卡，才能使用，即尋找是否存在。

f_mount（0，fs[0]）；//掛載SD卡

（4）打開SD卡下的文件夾，函數為FRESULT f_opendir （DIR *dj，/* 指向一個空白的結構體，用來存儲要打開的文件信息，用到初始化定義的DIR型變量*/const TCHAR *path /*指向文件夾名稱的指針，即打開文件的路徑 */）。函數返回0 ，表示打開文件成功，否則表示打開失敗[8]。

res=f_opendir （ &cewen， "0：/"）； //打開 0：/cewen文件夾，文件夾的信息保存在結構體cewendir變量中，res為0，打開成功

（5）讀取文件信息。在讀取文件信息之前，先要申請相關變量信息的內存。

fileinfo.lfsize=_MAX_LFN*2+1； //長文件名最大長度

fileinfo.lfname=mymalloc（SRAMIN，fileinfo.lfsize）；//為長文件緩存區分配內存

（6）只有成功打開文件夾，才能讀取或更改文件夾下的文件，與Windows系統下的使用原理一樣。判斷通過res進行，即if（res==FR_OK）{讀取文件夾}

（7）讀取文件夾函數為：FRESULT f_readdir （DIR *dj，/*指向讀取的文件夾信息結構體的指針，打開文件夾后，文件夾的信息已存入信息結構體 */FILINFO *fno，/* 指向文件信息結構體，用來存儲讀取到的文件信息*/）。重復調用此函數可讀取文件夾內的所有文件，當所有的文件讀取結束后[9]，函數返回一個空字符串到f_name[ ]中（文件信息結構體中的一個變量，存放名稱）

if（res==FR_OK） {while（1）{res = f_readdir（&lmdir，&fileinfo）；//遍歷文件

if（res！=FR_OK || fileinfo.fname[0]==0）

{ Show_Str（60，130，200，16，"出錯了"，16，0）；break；}//讀取出錯或遍歷結束，則退出

fn=（u8*）（*fileinfo.lfname？fileinfo.lfname：fileinfo.fname）； printf（fn）；//輸出文件名} }

以上步驟是對于文件夾及文件的操作，以下步驟為文件的讀寫操作：

（1）打開或新建一個文件（返回值為0則成功）。

FRESULT f_open （

FIL *fp，/* 指向一個用來存儲文件對象的空結構體指針*/

const TCHAR *path， /* 指向文件名的指針，即路徑*/

BYTE mode /* 讀取方式*/

）

讀取方式的使用：

FA_READ讀模式（讀寫同時生效）

FA_WRITE寫模式（讀寫同時生效）

FA_OPEN_EXISTING默認打開方式

FA_OPEN_ALWAYS打開文件，如果不存在，則建立一個新文件；用此種方式可以用f_lseek在文件后追加數據。

FA_CREATE_NEW新建文件，如果文件已存在，則新建失敗

FA_CREATE_ALWAYS新建文件，如果文件已存在，覆蓋舊文件。

新建一個文件：

res=f_open（&fsrc，"0：/dongman.txt"，FA_OPEN_ALWAYS）； //打開，新建文件測試

if（res==FR_OK）

{

POINT_COLOR=0x2299； Show_Str（60，170，200，16，"新建文件成功！"，16，0）；}

f_close（&fsrc）；

（2）讀取文件（讀取成功返回0）。

FRESULT f_read （

FIL *fp/* 指向文件對象結構體指針*/

void *buff/* 指向存儲讀取到的數據的緩沖區的指針 */

UINT btr/* 準備讀取的字節數 */

UINT *br /* 讀取到的字節數 */

）

f_read函數執行完后，*br值用來存放讀取到的字節數，br

res=f_open（&fsrc，"0：/limin2.txt"，FA_READ）； // 打開，新建文件測試

if（res==FR_OK）

{

USART1_SendStr（"文件內容："）；

USART1_SendStr（"＼r＼n"）；

while（1）{

res=f_read（&fsrc，pr，256，&br）；

if（res ||br < 256）

break；

USART1_SendStr（pr）；

USART1_SendStr（"＼r＼n"）；

Show_Str（60，170，200，16，"讀取成功！"，16，0）； } }

f_close（&fsrc）； //關閉文件，不論是打開還是新建，一定要關閉。

4 系統總體設計

系統主控核心為Cortex-M3，搭載DS18B20溫度傳感器[10]，實現溫度的實時測量，每5 s測量一次溫度，將測量的數據寫入SD卡的wendu.txt文件中。設計中需要實現的功能模塊為DS18B20測溫的驅動實現，SD卡驅動實現，SD卡fate32文件系統實現及主控任務實現，系統設計總流程如圖3所示。

圖3 系統設計總流程圖

在設計中，SD卡Fate32文件系統的實現步驟全面可行，系統上電后，會依次初始化各相關模塊。SD卡首先檢測是否插接正常并給予提示。系統檢測到SD卡，會掛接SD卡到主控系統并在SD卡根目錄中創建一個名為wendu.txt的測溫記錄文檔（如果已經存在，則直接打開該文檔）。準備工作完成后，系統開始循環測溫，并將每一次測溫結果以及RTC時間格式化寫入文檔中。可設定文檔大小，如果寫入信息超過500 K，則關閉現打開文檔，重新建立文檔記錄。

5 結 語

經測試，系統工作穩定，SD卡插接正常可穩定打開，也可以FAT32格式進行格式化。通過軟件設計，可在SD卡中創建文件、打開文件、關閉文件及刪除文件，所采集的數據能夠正常寫入文件中，并可結合RTC寫入當前數據的采集時間供后續分析使用。SD卡可在PC端打開，提供采集的文本信息。設計中使用溫度采集進行測試，也可按需求采集具體所需數據。FAT32文件系統的實現設計可移植性良好，可移植于單片機及各類控制器的信息采集存儲系統中。

參考文獻

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