OMAP－L138处理器的SD卡FAT文件系统读写

陈正江

（电子科技大学 自动化工程学院，成都611731）

陈正江（硕士研究生），主要研究领域为测控技术与仪器。

引 言

德州仪器（TⅠ）公司的OMAP－L138处理器是一款将ARM和DSP整合在一起的低功耗应用处理器，其中ARM核采用的是主频为375MHz的ARM926EJ－S核，而DSP核采用TⅠ公司的型号为TMS320C6748的浮点型DSP［1］。

作为一款针对移动设备和高速数据处理的高性能应用处理器，SD卡的引入有一定的必要性。在大部分应用中OMAP－L138处理器会产生大量的数据，SD卡的使用可以大大降低板上存储数据的成本，减少数据的转移时间，提高数据的转移效率。而在SD卡上实现文件系统，有利于管理卡上数据，使之准确而迅速地转移至PC机。考虑到FAT文件系统较高的可移植性，且与PC机上常用的Windows操作系统兼容，因此在本课题中采用了FAT文件系统以便于在PC机上对数据进行分析和备份。

1 SD卡简要介绍

由于在成本控制、安全性、移动性和读写速度等方面都有不错的表现，SD卡的应用越来越广泛。下面针对SD卡在本课题中的应用进行一些简要的介绍。

1.1 SD卡结构

SD卡内部结构如图1所示。SD卡有9个引脚，以下是对除供电和接地引脚外的6个引脚的功能介绍。

①CLK：时钟信号。每个时钟周期能传输一个命令或数据位。

② CMD：命令（Command）和响应（Response）线。用于主机与SD卡之间的协调通信。

图1 SD卡内部结构

③DAT0～3：数据线。用于主机与SD卡之间的数据交换。

另外，SD卡内部有6个长短不一的寄存器，存储着SD卡的出厂日期、生产厂商、容量大小、操作条件和SD卡状态等信息。

1.2 工作模式

根据SD卡的相关标准可知［3］，SD卡支持两种总线模式：一种是SPⅠ模式，即使用SPⅠ接口总线来进行数据的传输，只使用4位数据线中的DAT0进行数据传输，而CD／DAT3引脚用于片选；另一种是SD模式，该模式下可以使用单线或4线传输数据。只要主控设备提供了SPⅠ接口，SD卡就能应用于该设备，这使SD卡更具有通用性；而SD模式相比于SPⅠ模式可以提供更快的SD卡读写速度，这正是高速数据处理所需要的。

1.3 SD模式下的Command与Response介绍

Command和Response都是在CMD线上串行传输的，只是传输的方向不一样。

Command代表着一次主机到从卡操作的开始，是从主机到单卡或所有卡。

Response是对之前Command的响应，可以来自单卡或所有卡。

1.3.1Command介绍

Command分为标准CMD和ACMD，它们之间的区别就是在使用ACMD之前须向SD卡发送APP＿CMD Command（CMD55）［3］，而标准 CMD 是可以直接对 SD 卡使用的。以下是几个常用的Command［3］。

① GO＿ⅠDLE＿STATE（CMD0）：重置所有卡，使它们都处于空闲态，无Response。

② ALL＿SEND＿CⅠD（CMD2）：向所有卡询问 CⅠD号码，响应类型为R2。

③SEND＿RELATⅠVE＿ADDR（CMD3）：询问卡的RCA（Relative Card Address，相对卡地址）。是SD卡的本地系统地址，是由SD卡在初始化期间动态分配并得到主机承认的［3］，响应类型为 R6。

④ SELECT／DESELECT＿CARD（CMD7）：CMD7使用RCA作为命令参数，当某卡收到的是自己本身的RCA，那么它将被选择。反之，则该卡将被取消选定。当发送的RCA为0时将取消选定的所有卡，响应类型为R1b。

⑤SEND＿CSD（CMD9）：命令参数为 RCA，其作用是使地址为该RCA的卡给主机设备发送它的CSD信息，响应类型为R2。

⑥ STOP TRANSMⅠSSⅠON（CMD12）：强制卡结束数据传输，通常用于SD卡多块读写时，响应类型为R1b。

⑦SET＿BLOCKLEN（CMD16）：设置 SD卡的块长度，通常的块长度都是512字节，响应类型为R1。

⑧ READ＿SⅠNGLE＿BLOCK（CMD17），READ＿MULTⅠPLE＿BLOCK（CMD18）：块的读命令，前者读单块，后者读多块，响应类型都是R1。

⑨ WRⅠTE＿SⅠNGLE＿BLOCK（CMD24），WRⅠTE＿MULTⅠPLE＿BLOCK（CMD25）：块的写命令，前者写单块，后者写多块，响应类型都是R1。

⑩ APP＿CMD（CMD55）：指明下一个命令为ACMD，响应类型为R1。

[11]SET＿BUS＿WⅠDTH（ACMD6）：设置SD卡的数据宽度，参数为数据宽度，响应类型为R1。

[12]SD＿SEND＿OP＿COND（ACMD41）：让SD卡返回OCR寄存器内容，参数为SD卡的电压范围，响应类型为R3。

1.3.2Response介绍

Response分为R1、R1b、R2、R3、R6和R7，除去R2长度为136位外，其他的全为48位，但它们的功用和意义不一致。

R1为普通命令的响应，而R1b与R1唯一的区别就是R1b代表该卡接到命令时数据线会处于忙态。R2用于卡向主机返回SD卡CSD或CⅠD寄存器内容，R3作为ACMD41的响应，返回SD卡OCR寄存器的内容。R6返回SD卡的RCA，R7作为CMD8的响应［3］。

2 FAT文件系统

之所以引入FAT文件系统，一是便于SD卡上数据的管理，二是便于将SD卡上的数据转移至PC机上进行备份和处理。

2.1 FAT文件系统简介

目前FAT文件系统有FAT12、FAT16和FAT32三种类型，它们是由FAT表中每个FAT项所占长度来分类的，即它们的FAT表中每个FAT项占用的位数分别为12、16和32位［4］。由于FAT12文件系统能支持的最大分区容量只有8MB，再加上不能支持长文件名，现在已经很少能看到它的踪影了。FAT16能支持的分区容量为16 MB～2GB［4］，FAT32能支持的分区容量为32MB～32 GB［4］。在本课题中可以灵活地选择将SD卡格式化为FAT16或FAT32。

2.2 FatFs简介

FatFs是在小型的嵌入式系统中的一个通用的FAT文件系统模块［5］，也 就是 FAT 文 件系统的驱动。它连接着顶层的应用和底层的物理实现如图2所示。FatFs的引入降低了在SD卡上借助文件系统实现读写功能的难度。如图3所示，只需要实现底层SD卡的Ⅰ／O函数、RTC函数和顶层的应用函数功能就可以实现FAT文件系统的移植。

图2 FatFs模块

下面简要介绍FatFs模块中的一些常用库函数［5］。

①f＿mount：用于装载或卸载一个工作区域，在使用FatFs库函数进行操作前须装载一个工作区域，操作完毕后要卸载该工作区域。

②f＿read，f＿write：文件的读写函数。

③f＿open：用于打开或创建一个文件，在使用f＿read或f＿write函数之前须使用f＿open打开文件。

④f＿close：关闭一个文件，在完成文件的读写操作过程后须使用此函数关闭该文件。

⑤f＿mkfs：格式化磁盘。

⑥f＿opendir，f＿readdir，f＿mkdir，f＿chdir：作用依次是打开、读取、创建和更改目录。

⑦f＿unlink：删除一个文件或一个目录。

3 软件设计与实现

3.1 软硬件平台

本课题使用的是R0.08b版本的FatFs模块，编译调试软件为TⅠ公司的CCS v3.3；硬件平台是合众达的DEC－138开发板，其使用的芯片便是本文一开始介绍的OMAP－L138处理器，同时也提供了SD卡的接口，满足设计要求。

3.2 软件实现

FatFs的移植工作主要是根据硬件平台的不同对底层disk Ⅰ／O函数和RTC函数的编写。完成上述工作后，在了解FatFs库函数功能的情况下就可以根据自己需要编写顶层的应用函数。

3.2.1SD卡的初始化和读写函数

（1）初始化函数SD＿Init

SD卡的初始化流程如图3所示。分为初始化SD控制器和识别SD卡两个主要步骤，其中关于SD卡识别中使用到的CMD的相关解释请参见1.3.1小节。另外，流程图中默认在发送ACMD之前发送了CMD55。

（2）读写函数

图3 SD卡初始化函数流程图

SD卡读／写数据示意图如图4所示。对OMAPL138而言，SD卡数据的读写都要通过SD控制器上的FⅠFO，大小可设置为32字节或64字节。MMCDRR（MMC Data Receive Register，数据接收寄存器）和MMCDXR（MMC Data Transmit Register，数据发送寄存器）长度都是32位。在读SD卡上的数据的时候，会先将SD卡的数据复制到FⅠFO中，然后 MMCDRR会分次将FⅠFO中的数据读出并发送至Host；而在写SD卡时，数据也会先放置在FⅠFO中，之后MMCDXR再依次把数据读出来写到SD卡中［6］。

图4 SD卡读／写数据示意图

SD卡的读写函数分为单块和多块，而多块的读写实际上有两种实现方法：

① 将多块分成多个单块来读写；

② 直接使用多块读写CMD完成多块的读写。

由于第一种方法在单块数据读写之前须发送多次单块读写CMD，而第二种方法只用在数据传输之前发送一个多块读写CMD，并在数据传输终止处发送一个传输结束CMD，因此后者的速度明显快于前者。

3.2.2diskI／O函数

disk Ⅰ／O函数的作用就是作为上层FatFs函数库与底层存储设备Ⅰ／O函数的纽带。

（1）磁盘的初始化函数disk＿initialize

初始化SD卡，此函数的参数为无符号char型的drv，目前版本的FatFs只支持单块磁盘，其值只能为0。

（2）磁盘状态获取函数disk＿status

用于获取磁盘状态，编写此函数时只需判断drv是否为0。

（3）磁盘读写函数disk＿read／disk＿write

disk＿read／disk＿write函数流程如图5所示。disk＿read／disk＿write即磁盘的读写函数，其作用是将磁盘的读写操作包装起来供FatFs模块中的相关函数调用。

图5 disk＿read／disk＿write函数流程图

（4）磁盘I／O控制函数disk＿ioctl

用于返回块大小、扇区大小和容量的函数。最典型的应用是在格式化函数f＿mkfs中。函数f＿mkfs需从disk＿ioctl中得到2个参数：磁盘的容量和扇区大小。只有disk＿ioctl得到正确的参数，f＿mkfs才能将SD卡正确格式化。

（5）实时时间获取函数get＿fattime

此函数用于得到实时时钟，以标示文件的创建时间和修改时间。

结 语

本课题成功实现了基于OMAP－L138处理器的SD卡FAT文件系统的移植，使得该处理器对文件的读写简单易行，对文件的管理事半功倍；此外，让SD卡工作在SD模式下使得OMAP－L138在进行高速数据处理过后产生的数据能够快速地存储到SD卡中。FAT文件系统的成功移植也使OMAP－L138产生的数据能更高效地转移至PC机上加以处理和备份。

［1］Texas Ⅰnstruments.OMAP－L138Low－Power Applications Processor［EB／OL］.（2009－06）［2011－07］.http：／／www.ti.com／cn／litv／pdf／sprs586b.

［2］Texas Ⅰnstruments.OMAP－L138Applications Processor System Reference Guide［EB／OL］.（2010－10－16）［2011－07］.http：／／www.ti.com／cn／litv／pdf／sprugm7d.

［3］SD Group and SD Association.SD Specifications Part 1 Physical Layer Simplified Specification Version 3.01［EB／OL］.（2010－05－18）［2011－07］.http：／／www.sdcard.org／developers／tech／sdcard／pls／simplified＿specs.

［4］刘伟.数据恢复技术深度揭秘［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［5］FatFs Generic FAT File System Module［OL］.［2011－07］.http：／／elm－chan.org／fsw／ff／00index＿e.html.

［6］Texas Ⅰnstruments.TMS320C674x／OMAP－L1xProcessor Multimedia Card（MMC）／Secure Digital（SD）Card Controller User's Guide ［EB／OL］.（2010－08）［2011－07］.http：／／www.ti.com／cn／litv／pdf／sprufm2b.