基于單片機和FAT16的SD卡讀寫系統設計

主引導記錄區(Main BootRecord，MBR)位于物理磁盤第零扇區。MBR中有硬盤分區記錄表(Disk Partition Table，DPT)，DPT記錄了各邏輯分區的相對偏移。SD卡不支持多分區，在1個SD卡中只有1個分區，因此在SD卡上的DPT只有1個分區表項被占用。系統引導記錄區(DOS Boot Record，DBR)位于磁盤邏輯分區的第0扇區，是操作系統可以訪問的第1個扇區，它其中包含1個稱為BPB(Bios Parameter Block)的本分區參數記錄表。BPB記錄著本分區的根目錄大小、FAT、個數、磁盤介質描述、分配單元大小等重要參數。

DBR之后是FAT(File Allocation Table，文件分配記錄表)，記錄文件在磁盤上的存儲位置。在Windows系統中，文件存儲的單位是簇而不是字節，1個文件不是連續地存放于磁盤的某一區域，而往往分成若干段，像鏈子一樣存放。FAT表記錄了每個文件的起始簇號、后繼簇號和終止簇號。FAT表中的每個表項對應數據存儲區中的1個簇，由于FAT表對文件管理的重要性，FAT表有1個備份。
DIR是根目錄區，緊接著第2個FAT表(FAT2)之后，記錄著根目錄下每個文件的起始簇號、大小等屬性。操作系統根據DIR中文件的起始簇號和大小，結合FAT表來定位文件。FAT16文件系統中1個文件的存儲示意圖如圖5所示。

3．2 SD卡指令規范
單片機通過相應指令與SD卡進行交互。SD卡有特定的指令格式，都是6字節長，最高有效位(MSB)傳輸優先，如圖6所示。

SD卡指令的最高2位“01”是SD卡指令的開始標志，最后1位“1”是結束標志。6位的指令是SD卡的指令序號，例如CMD17的6位指令即17的二進制表示010001。指令參數占4字節，具體內容參照SD卡規范。7位CRC校檢的生成多項式為G(x)=x7+x3+1。事實上SD卡在進入SPI模式后，不再通過CRC碼來確認指令的傳輸正確與否，指令中的7為CRC校檢，只在SD模式下起作用。因此僅SD卡上電后的第1條切換SPI模式指令CMd0 需要校檢碼，而此校檢碼是固定的0x95，其他指令的CRC均置1即可。SD卡響應有4種格式，不同指令對應不同響應，具體內容可參看SD卡規范。
3．3 SD卡讀寫驅動
3．3．1 SPI時序模擬
用軟件來模擬SPI總線的具體方法是：將SCK的初始狀態置0，允許接收后(即CS置0)將SCK置1，這樣單片機由DI線輸出1位數據到SD卡；接著再將SCK置0，單片機由DO線從SD卡讀1位數據。至此，模擬1位數據輸入輸出完成。此后再將SCK置1，依次循環8次，完成SPI總線1字節數據的輸入輸出。
以下是本系統軟件模擬SPI時序的匯編代碼。以通用寄存器A作為函數參數，實現將寄存器A中的數據通過SPI總線發送出去，并將從SPI總線讀到的數據存到寄存器A中。