基于单片机的SD卡FAT文件系统读写设计

2 硬件设计
SD卡有2种操作模式：SD卡模式、SPI模式。SD卡模式允许通过4线高速总线传输，但由于大部分单片机无此接口模块，故选择SPI模式。HCSl2X系列单片机内部都带有此同步串行外部设备接口(Serial Peripheral Interface，SPI)。单片机可以通过SPI系统组成一个通信速率比SCI高的同步网络，故使用SPI模式可以把外设减少到最低。SPI模式相对于SD卡模式的缺点是损失了传输速度；但是目前的微处理器的处理速度越来越高，利用SPI模式大都能满足工程需要。
HCSl2X单片机的全双工8位SPI模块有4个引脚，分别为主入从出引脚MISO、主入从出引脚MOSI、串行时钟引脚SCK以及从机片选引脚SS。当CS信号线为低电平时，主机开始所有的总线传输。数据从单片机的MOSI引脚同步输入Micro SD卡的DA引脚，Micro SD卡返回数据由DO线同步输入单片机的MISO引脚，数据在CLK信号的上升沿同步输入和输出。

3 软件设计
3．1 HCSl2X总线时钟超频
MC9S12XSl28MAA默认总线时钟默认同外接晶振相关，但可以通过配置PLL锁相环实现单片机总线超频，从而加快SD卡读取速率。实验中可通过下列代码将单片机总线频率超频到80MHz：

3．2 HCSl2XSPl模块初始化
MC9S12XSl28MAA单片机包含2个串行外设接口SPI，可以很方便地实现对Micro SD卡接口的数据传输。为了配置时钟和数据长度，需要对SPI控制寄存器(SPCRl和SPICR2)、SPI波特率寄存器SPIBR和SPI数据寄存器SPIDR进行设置：使能SPI模块，将SPICRl中的MSTR位置1使单片机工作在主机模式，产生串行时钟来同步主从双方的移位寄存器，配置SPI时钟极性位与SPI时钟相位控制位，使能从机输出选择；初始化SPI波特率寄存器。
3．3 SD卡初始化
SD卡初始数据传输需工作在低于400 kb／s的频率，因此配置SPI波特率寄存器，以工作在低速模式下。片选信号后应延时至少74个时钟周期。SD卡默认缺省使用SD总线传输协议，主机需要发出命令CMDO(CMD_GO_IDLE_STATE)才能使SD卡工作在SPI传输模式下，当单片机返回0x 01时说明已经进入了IDLE状态。此时应循环发送CMD55+ACMD41以确认是否为SD卡，如果回应超时则发送CMDl(CMD_SEND_OP_COND)以确认是否为MMC卡。经实验发现，Kingston公司的Micro SD卡使用CMD55+ACMD41或者CMDl都可以进行激活。激活SD卡的SPI模式后SD卡进入准备状态，此时发送CMDl6(CMD_SET_BLOCKLEN)设置SD卡的读写块大小，然后重新配置SPI波特率寄存器SPIBR使单片机SPI工作在高速频率下，延时8个时钟周期后返回，完成SD卡初始化。图2为SD卡SPI高速模式初始化流程。