STM32与eMMC通信的存储系统设计

2019-01-17，，，

单片机与嵌入式系统应用 2018年12期

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(1.中北大学信息与通信工程学院，太原 030051；2.北京航空航天大学；3.北京镭航世纪科技有限公司)

引言

在目前的存储系统中，存储介质扮演着非常重要的角色，如固态硬盘SSD、NAND Flash、eMMC等。这些存储介质各具特色：SSD具有写入速度快、功耗低、读取延迟小等优势，但其封装体积较大；NAND Flash芯片具有存储容量大、价格便宜等优点，但存在兼容性差、操作复杂度高、需要过多关注坏块管理、损耗均衡以及误码率等一些固有的缺陷[1]。在充分考虑存储芯片的封装体积、容量、带宽要求等参数后，本系统选用eMMC作为存储设备。eMMC是一种内嵌式存储芯片，具有接口简单、存储容量大、传输速度快和集成度高等优点[2]，eMMC将NAND Flash和主控芯片封装成一个微型的BGA芯片，内部集成Flash控制器，主要包括ECC纠错机制、平均擦写存储区块技术、坏区管理、掉电保护等控制技术。

为了满足存储系统快速启动、紧急掉电数据保护、便捷导出等设计要求，本系统采用STM32F7作为控制器，使用SDIO接口挂载eMMC，并通过高速USB接口将其实现为USB大容量存储设备，计算机可通过USB接口直接对记录文件进行导出操作。记录文件通过自己建立的文件系统进行初始化，记录过程中数据直接由eMMC读写驱动写入文件数据区。这样存储系统可以在不进行USB大容量存储设备枚举的情况下实现快速启动进行数据记录，并且在紧急掉电情况下记录文件不会受到损坏，同时数据仍然可以通过USB对大容量存储设备的访问实现导出。

1 系统硬件设计

系统选用由意法半导体公司生产的采用Cortex-M7内核的STM32系列32位处理器STM32F7，该处理器性能优异、功耗超低、集成度高，搭配SDIO控制接口，提供高速USB接口，并内置高速USB PHY，极大地简化了外围电路设计。选用镁光公司的MTFC64GAKAEEY-4M IT作为存储芯片，存储容量为64 GB，可支持的最大时钟频率为52 MHz，SDR模式下连续写数据能力最大可达40 MB/s，连续读数据能力最大可达90 MB/s[4]。

图1 系统总体框图

存储系统主要由STM32控制模块、eMMC存储模块和电源模块三部分组成。系统总体框图如图1所示。

其中，控制模块通过SDIO接口与eMMC进行通信，SDIO接口包括时钟信号CLK、命令信号CMD和4位数据线DAT0～DAT3[5]。

2 eMMC驱动设计

图2 多块读过程时序

数据记录和文件系统的实现均以存储设备的底层驱动为基础，本系统存储设备为eMMC，其底层驱动主要包括eMMC初始化，eMMC的读、写等。

2.1 eMMC初始化

设备的初始化过程为：eMMC收到软件复位命令CMD0或者进行硬件复位后，就切换到Idle状态，STM32首先发送CMD1命令来获取eMMC的工作条件；然后通过发送广播命令CMD2，eMMC向STM32回应其独一无二的设备识别号；完成识别之后，eMMC切换到Identification状态；接着STM32发送CMD3命令为eMMC分配唯一的相对地址，用于数据传输模式下对eMMC进行寻址选定，eMMC只要收到相对地址RCA，其状态就切换到Stand-by，eMMC初始化完成。

2.2 eMMC读/写驱动操作

eMMC和STM32之间的数据传输是通过DAT数据线进行的，本系统数据宽度为4位，数据读写过程在SDR模式下进行。

2.2.1 读驱动

数据读过程包括单块读和多块读两种类型，本系统采用多块读方式。多块读过程包括两种形式：一种形式是通过CMD18命令预先指定读取的块数，所有数据块读取结束之后自动返回到数据传输状态；另外一种形式是开放式读取，不设定读取块数，设备会持续发出数据直到收到主机的停止传输命令，本文采用第一种方式。本系统设定连续读数据长度为32块。

多块读流程为：STM32首先发送CMD16命令设置单块的长度为512字节，设置结束后，发送eMMC芯片多块读命令CMD18，包含读起始地址参数，并指定连续读数据长度为32块。多块读只需发送一次CMD18命令，每读取一块，读取块数就加1，数据线间隔NAC个时钟周期之后接着读取下一块数据，直至读取到第32块，多块读结束[6]。多块读过程时序如图2所示。

2.2.2 写驱动

数据写过程包括单块写和多块写两种类型，本系统采用多块写方式。多块写分为两种方式，一种是设置预定块数的写入，另一种是开放式流写入，本系统采用第一种方式[5]，设定连续写数据长度为32块。

多块写流程为：STM32首先发送CMD16命令设置单块长度为512字节，设置结束后，发送多块写命令CMD25，包含起始扇区地址，并指定连续写数据长度为32块。待eMMC芯片收到响应后，就可以进行写操作，一旦CMD25响应错误或超时，则需要再次发送。当设定为写入块数方式时，命令结束NWR个时钟周期之后则开始写入数据。每一块后面都会进行CRC校验，以确保写入数据正确[7]。每正确写入一块，写入块数就加1，直至写数据到第32块时，数据将开始编程写入Flash阵列。多块写过程时序如图3所示。

图3 多块写过程时序

3 FAT32文件系统设计

为了有效管理eMMC写入的数据，使记录数据能够以文件形式被访问和导出，必须将eMMC中的数据以文件形式存储，需要在eMMC中创建常用的可以被Windows系统访问的文件系统。本设计中采用FAT32文件系统。

3.1 FAT32文件系统简介

FAT32文件系统是Windows98操作系统为改善磁盘管理而推出的一项新的文件管理系统。FAT32文件系统实际上就是用32位数据来描述磁盘簇分配[8]。FAT32分区的数据结构由MBR、DBR、保留扇区、FAT表和目录及数据区5部分组成。FAT32文件系统的结构特点如下：

① MBR即主引导扇区，位于整个硬盘的0 磁道0 柱面1 扇区，包括硬盘主引导记录MBR和分区表DPT两部分，主要用于检查分区表是否正确并确定引导分区的地址，同时便于在程序结束时把引导分区的启动程序调入内存加以执行。

② DBR即操作系统引导扇区。一般占用512字节，该扇区由跳转指令、操作系统名称和版本号、BPB区、扩展BPB区、结束标志和DOS引导程序区组成。其中BPB记录本分区的每簇扇区数、每扇区字节数、FAT表数、FAT表扇区数及根目录簇号等重要参数。表1为FAT32文件系统的DBR数据结构。

表1 FAT32文件系统的DBR数据结构

③ 保留扇区位于FAT32文件系统起始部分，由若干个扇区组成，该扇区的大小记录在DBR扇区中。

④ FAT表的含义是文件分配表，该区是FAT32文件系统管理磁盘空间和文件的最重要区域。它通过位示图法来保存逻辑盘数据区各簇使用情况信息。文件所占用的存储空间及空闲空间的管理都是通过它来实现的。FAT32一般包含两份FAT，FAT1是第一份，即主FAT，位于逻辑32扇区。在FAT表中，每簇占用4字节，其中开头的8字节用来存放该盘介质类型编号。如果某个文件占用很多簇，则第一个FAT项用于记录下一个FAT项簇号，如果这个文件结束了，则用“0FFF FFFF”表示。

⑤ 目录及数据区主要由根目录、子目录和文件内容三个部分组成[11]。在存储时以簇为单位，其中2号簇被分配给根目录使用。每个目录项占用32个字节，可以是长文件名目录项、文件目录项、子目录项等。本系统使用短文件名。

3.2 本文件系统设计

本系统在eMMC上移植FAT32文件系统。系统上电后，计算机通过高速USB接口将eMMC识别为一个USB大容量存储设备，因而不需要进行分区。系统数据带宽为5 MB/s，存储时间为3 min，则单个文件占用的最大存储容量为900 MB，本系统设定的单个文件固定大小为2 000 MB。设定FAT32文件系统的DBR参数如下：每扇区字节数为512、每个簇占用32个扇区、保留扇区数为32、FAT表数为1、每个FAT表所用扇区数为28 225、根目录第1簇的簇号为2，计算出单个文件占用128 000个簇，系统文件使用短文件名。

4 测试

4.1 文件系统

系统上电后，计算机可将eMMC识别为一个USB大容量存储设备，可用容量为55.1 GB，计算机识别eMMC如图4所示。

图4 计算机识别eMMC

打开USB设备，可以看到设备内存在两个文件DATA_001和DATA_002，并且每个文件大小为2 048 000 KB，即2 000 MB，与系统设定的文件大小一致，文件内容如图5所示。

图5 文件内容

用WinHex打开USB设备，可以看到文件系统结构如图6所示。

图6 文件系统结构

使用WinHex打开启动扇区，FAT32文件系统的引导扇区DBR数据如图7所示。

图7 引导扇区DBR

可以看到每扇区字节数为512、每个簇为32扇区、保留扇区数为32、FAT表数为1即FAT1、每个FAT的扇区数为28 225、根目录起始簇号是2，与设定的参数一致。

4.2 存储

(1)根目录起始偏移地址定位

根目录起始扇区=保留扇区数+FAT×1+(起始簇-2)×每簇的扇区数，由引导扇区DBR中可知根目录起始簇号为2，所以求得根目录起始扇区为32+28 225+(2-2)×32=28 257，则FAT表所在的起始偏移位置为DCC200。DCC200处的内容如图8所示，可以看到根目录起始扇区与图6显示一致。

图8 根目录起始偏移地址

(2)第一个文件位置的定位

将系统的多路串口数据以数据流形式写入数据区。第一个文件开始扇区=根目录开始扇区+(簇编号-2)×每簇的扇区数，第一个文件簇编号为128，则第一个文件扇区为28 257+(128-2)×32=32 289，则第一个文件所在的起始偏移位置为FC400，第一个文件数据如图9所示，可以看出第一个文件扇区地址与图6显示的一致，且数据为连续数据流。