基于單片機的SD卡FAT文件系統讀寫設計

2 硬件設計
SD卡有2種操作模式：SD卡模式、SPI模式。SD卡模式允許通過4線高速總線傳輸，但由于大部分單片機無此接口模塊，故選擇SPI模式。HCSl2X系列單片機內部都帶有此同步串行外部設備接口(Serial Peripheral Interface，SPI)。單片機可以通過SPI系統組成一個通信速率比SCI高的同步網絡，故使用SPI模式可以把外設減少到最低。SPI模式相對于SD卡模式的缺點是損失了傳輸速度；但是目前的微處理器的處理速度越來越高，利用SPI模式大都能滿足工程需要。
HCSl2X單片機的全雙工8位SPI模塊有4個引腳，分別為主入從出引腳MISO、主入從出引腳MOSI、串行時鐘引腳SCK以及從機片選引腳SS。當CS信號線為低電平時，主機開始所有的總線傳輸。數據從單片機的MOSI引腳同步輸入Micro SD卡的DA引腳，Micro SD卡返回數據由DO線同步輸入單片機的MISO引腳，數據在CLK信號的上升沿同步輸入和輸出。

3 軟件設計
3．1 HCSl2X總線時鐘超頻
MC9S12XSl28MAA默認總線時鐘默認同外接晶振相關，但可以通過配置PLL鎖相環實現單片機總線超頻，從而加快SD卡讀取速率。實驗中可通過下列代碼將單片機總線頻率超頻到80MHz：

3．2 HCSl2XSPl模塊初始化
MC9S12XSl28MAA單片機包含2個串行外設接口SPI，可以很方便地實現對Micro SD卡接口的數據傳輸。為了配置時鐘和數據長度，需要對SPI控制寄存器(SPCRl和SPICR2)、SPI波特率寄存器SPIBR和SPI數據寄存器SPIDR進行設置：使能SPI模塊，將SPICRl中的MSTR位置1使單片機工作在主機模式，產生串行時鐘來同步主從雙方的移位寄存器，配置SPI時鐘極性位與SPI時鐘相位控制位，使能從機輸出選擇；初始化SPI波特率寄存器。
3．3 SD卡初始化
SD卡初始數據傳輸需工作在低于400 kb／s的頻率，因此配置SPI波特率寄存器，以工作在低速模式下。片選信號后應延時至少74個時鐘周期。SD卡默認缺省使用SD總線傳輸協議，主機需要發出命令CMDO(CMD_GO_IDLE_STATE)才能使SD卡工作在SPI傳輸模式下，當單片機返回0x 01時說明已經進入了IDLE狀態。此時應循環發送CMD55+ACMD41以確認是否為SD卡，如果回應超時則發送CMDl(CMD_SEND_OP_COND)以確認是否為MMC卡。經實驗發現，Kingston公司的Micro SD卡使用CMD55+ACMD41或者CMDl都可以進行激活。激活SD卡的SPI模式后SD卡進入準備狀態，此時發送CMDl6(CMD_SET_BLOCKLEN)設置SD卡的讀寫塊大小，然后重新配置SPI波特率寄存器SPIBR使單片機SPI工作在高速頻率下，延時8個時鐘周期后返回，完成SD卡初始化。圖2為SD卡SPI高速模式初始化流程。