基于STM32的嵌入式存储系统的设计与实现

段素平

（中国船舶重工集团有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

当前，嵌入式技术发展越来越快，对大容量数据存储的需求也越来越迫切。传统的嵌入式系统或产品一般只带有Flash、ROM等存储器，只能存储少量数据，若嵌入式系统需要存储大容量数据，目前常用的存储设备有 SD存储卡、U盘、Flash芯片等。Flash芯片存储容量小、价格高，且需要集成在PCB印制电路板上使用；U盘虽然存储容量高，但设计相对比较复杂，占用空间比较大，连接可靠性不高[1]；而SD存储卡体积小、存储容量高，支持SPI/SDMMC驱动，多种尺寸可供选择满足不同应用需求，优势明显[2-3]。基于此，设计了一种以SD存储卡作为存储设备的嵌入式存储系统。

1 硬件设计

本系统主要由微处理器、SD存储卡接口电路、复位模块、电源模块以及时钟模块等组成，如图1所示。其中复位模块、电源模块以及时钟模块设计比较简单，也不是本系统设计重点，所以本文不作介绍。

图1 系统组成示意图Fig.1 Diagram of system composition

1.1 硬件电路设计

1）微处理器。

微处理器主要负责控制整个系统的处理操作、状态监测以及任务管理等功能，最重要的是实现大容量数据快速可靠的存储和读取。选择STM32H743作为本系统的微处理器，该处理器是 ST 推出的基于 ARM Cortex M7 内核的处理器，拥有高达1 060 KB 的片内 SRAM，并且支持 SDRAM内存扩展。STM32H743工作频率达到400 MHz，具有6级流水线，带有指令和数据Cache，大大提高了性能。此外，STM32H743自带丰富的外围接口，其中就包括SDMMC接口控制器[4]，利用该接口控制器可以很高效地实现SD存储卡接口电路设计。

2）SD存储卡接口电路。

STM32H743自带SDMMC控制器，最高通信速度可达48 MHz[5]，如图2所示。本系统利用该控制器实现SD存储卡接口电路设计。

图2 SDMMC控制器示意图Fig.2 Diagram of SDMMC controller

在 SDIO 模式下，只需要用到：SDMMC_CK、SDMMC_D[3︰0]、SDMMC_CMD 这几根线即可正常驱动 SD 卡，电路设计原理图如图3所示。

图3中，SDIO_D0-SDIO_D3为数据线，实现数据传输，所有的数据线都工作在推挽模式。SDIO_CLK为时钟线，对应 SDMMC控制器的卡时钟SDMMC_CK（每个时钟周期在命令和数据线上传输1位命令或数据），在3.3 V信号电平下，该时钟频率最大可以达到50 MHz。需要注意的一点是，在 SD 卡刚刚初始化的时候， SDMMC_CK时钟是不能超过 400 kHz 的，否则可能无法完成初始化，在初始化以后，就可以设置时钟频率到最大了[6]。SD_CD为SDMMC控制器通用命令信号线，对应SDMMC控制器的SDMMC_CMD，SDMMC的所有命令和响应都是通过 SDMMC_CMD 引脚传输的，任何命令的长度都是固定为48 位[7]。

图3 SD卡接口电路原理图Fig.3 Schematic of SD card interface circuit

3）调试串口。

串口（串行通信接口）是指数据一位一位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，从而大大降低了成本。RS232是最常用的一种串行通信接口，也称标准串口[8]，本系统使用RS232用作调试接口，实现系统状态信息的打印输出。

由于STM32H743输出的都是TTL电平，即逻辑“平，对应2～3.3 V，逻辑“逻辑对应0～0.4 V，而 RS232标准采用负逻辑，即逻辑“1”对应-5～-15 V，逻辑“0”对应+5～+15 V[9]。为了实现两者之间的串口通信，利用ADM3251芯片进行电平的转换，电路设计如图4所示。

图4 调试串口电路原理图Fig.4 Schematic of debugging serial circuit

1.2 PCB抗干扰设计

为了提高系统的可靠性和抗干扰能力，在设计硬件平台时完成了以下工作：

1）将数字地和模拟地分开设计，电源线、地线的走向和数据线的走向平行设计，以提高抗干扰能力。

2）电源线设计得尽可能宽，减少环路电阻。

3）分布在电路板正反两面的信号线进行垂直处理，在需要拐弯的地方设计成135°角。

4）PCB板上的过孔会带来一定的电容效应，设计的时候尽量减少过孔数量。

2 软件设计

本系统软件设计用到的工具主要是 MDK，MDK源自德国的KEIL公司，它使用 uVision5 IDE集成开发环境，是目前针对 ARM 处理器，尤其是 Cortex M 内核处理器的最佳开发工具[10]。

2.1 FatFS文件系统移植

对于存储设备的管理，若采用传统读写扇区的方式，不但会影响系统的性能，也无法发挥SD存储卡的优势，因此本系统移植FatFS文件系统对存储设备进行数据管理。FatFS文件系统是一个完全免费开源的 FAT文件系统模块，该系统为应用程序开发提供统一的、标准的API函数，具有良好的可维护性和移植性[11]。FatFS 文件系统的层次结构如图5所示。

图5 FatFS文件系统的层次结构图Fig.5 Hierarchy diagram of FatFS file system

最顶层是应用层，使用者无需理会 FatFS 的内部结构和复杂的 FAT 协议，只需要调用FATFS模块提供给用户的应用接口函数，如 f_open，f_read，f_write 和 f_close 等，就可以像在 PC 上读写文件那样简单[12]。中间层 FATFS 模块，实现了 FAT 文件读写协议，使用时只要将需要的头文件包含进去即可。需要编写移植代码的是FatFS模块提供的底层接口，它包括存储媒介读写接口（diskI/O）和供给文件创建修改时间的实时时钟。

FATFS 模块在移植的时候，一般只需要修改源码中ffconf.h 和 diskio.c 两个文件。FATFS模块的所有配置项都是存放在 ffconf.h 里面，通过配置里面的一些选项，来满足系统的需求；diskio.c实现底层驱动，需要编写如图6所示的6个接口函数[13]。

图6 FatFS底层驱动接口函数Fig.6 Interface function of FatFS underlying driver

disk_initialize( )函数实现磁盘驱动器的初始化；disk_status( )函数的功能是返回当前磁盘驱动器的状态；disk_read( )函数读取磁盘驱动器上的数据；disk_write( )函数是往磁盘驱动器上写入数据；disk_ioctl( )函数用来控制设备指定特性和除了读/写外的杂项功能；get_fattime( )函数用来获取当前时间。

2.2 应用程序设计

在成功移植FatFS文件系统基础上，需要完成应用程序的编写，应用程序完成的工作如下：

1）系统硬件初始化，包括配置系统时钟、HAL库初始化、使能Cache以及配置系统中断等。

2）SD 存储卡接口初始化，主要利用STM32H743自带的SDMMC控制器对SD存储卡接口进行初始化操作。

3）FatFS文件系统初始化，将SD存储卡在磁盘的编号设置为0，并通过f_mount( )函数为SD存储卡注册一个工作区。

4）完成 SD卡存储功能，先调用 f_open( )函数创建一个新文件或打开已存在的文件，然后调用f_write( )函数将缓冲区的内容写入到刚打开的文件中，最后调用f_close( )函数关闭已打开的文件。以上步骤即可完成SD卡的数据存储。

5） 完成SD卡读取功能，先调用f_open( )函数打开数据存储文件，然后调用f_read( )函数将文件内容写入到缓冲区，并作出相应处理，最后调用f_close( )函数关闭已打开的文件。以上步骤即可完成SD卡的数据读取。

2.3 软件可靠性设计

SD存储卡的较高读写速率可能会导致读写错误的发生，为了降低错误发生的概率，提高系统的可靠性，本系统软件设计时采取以下措施：

1）读写数据采用校验方式来检验数据的正确性，同时为了避免校验和正确而数据错误的极其偶然情况发生，对数据层面进行再次检验，比如给加入数据帧头，在读写数据时均对数据的帧头加以判断。只有当数据帧头以及数据校验和均正确，才会认为本次数据有效。

2）读写错误发生后，对数据进行循环读写，直到正确读写数据才跳出循环。

3 系统验证

为了验证系统的功能，设计了2组测试。第1组为基本功能测试。测试在 SD存储卡中新建目录或文件、在文件中读写数据等功能。在SD卡根目录下新建根 SD_BasicFuctionsTest”目录和“sd_test.txte文件，并在“sd_test.txte文件中写入测试数据。之后读取SD卡中所有信息，观察是否含有“SD_BasicFuctionsTest”目录和“sd_test.txtes文件。若存在该文件，读取该文件数据，观察是否和之前写入的数据一致。

第2组为系统性能测试。测试系统读写SD卡速度（大容量数据存储系统中，数据读写速度是一个很重要的设计指标）以及读写可靠性。在 SD卡根目录下新建“Speed.txt”文件，往该文件全速写入2 048 kB数据，计算其写入速度；之后全速读取“Speed.txt”文件中的数据，计算文件读取速度。同时将读取的数据与之前写入的数据进行比较，统计匹配度。

上述的测试步骤，本系统都通过调试串口打印相应信息，如图7所示。

图7 调试串口打印的测试信息Fig.7 Test information printed by the serial port

图7中的①表明系统成功创建了文件“sd_test.txt”，并成功写入测试数据；②说明系统成功创建了“SD_BasicFuctionsTest”目录。之后读取“sd_test.txt”文件数据，该数据与之前写入的数据一致，如图中③所示。图7中的④是系统性能测试时打印信息情况，可知SD存储卡读写速度分别达到了44 Mbps和26 Mbps，可满足大部分应用需求。读写数据匹配度达到了100%，说明系统可靠性符合要求。

4 结束语

本文主要对嵌入式存储系统进行了讨论和研究，成功完成了系统的硬件设计和软件设计。最后，通过2组试验对系统的基本功能、读写速度以及可靠性进行了测试，测试结果充分验证了本系统设计的正确性。