2018年02月07日 | 利用TF卡进行嵌入式系统开发调试及存储应用的方案

    硬件平台基于应用处理器PXA310，软件平台基于嵌入式Linux的Android操作系统。首先介绍了TF卡与应用处理器的连接电路设计。然后介绍TF卡驱动程序的设计和Android对TF卡的挂载方法。在TF卡驱动程序设计中采用了SPI工作模式和FAT32文件系统，描述了FAT32文件系统的移植。最后介绍了系统调试，并展示了TF卡在视频数据采集单元中应用的设计结果。

    嵌入式系统调试一般使用串口、JTAG、USB或网卡来下载系统镜像到目标机中。使用串口下载镜像，协议简单，接口通用，但传输速率太慢。使用JTAG下载镜像，传输速率较高，但需要专用的JTAG调试器，价格较高，限制了调试环境。使用USB或网卡下载镜像速度快、接口通用，但一般做成产品后的嵌入式设备不需要留出通用的USB或以太网接口，从而增加了设计的复杂性和开发成本。在移动嵌入式产品开发过程中，如果使用TransFlash(TF)卡代替USB或以太网口，由于TF卡一般又都是移动嵌入式产品的必要构成部分，这样做一般可以减小嵌入式系统调试的复杂性和成本。本文提出使用TF卡更新镜像的方法，并在实际的嵌入式系统调试中成功应用。使用TF卡下载系统镜像，速度与通用性都很好，既省去了调试中对其他下载设备的设计需求，又解决了最终产品大容量存储器的设计问题。

    1 TransFIash卡与应用处理器的连接电路设计

    本文调试的嵌入式系统，是一种视频数据采集与传输单元，以PXA310为中央处理器，采集到的视频数据由PXA310进行压缩编码处理，之后发送到网络中去，供用户查看。系统调试过程中，视频数据可以存储到TF卡中。

    TF卡模块在系统中主要有两个方面的作用：

    一是在嵌入式系统开发调试过程中用于将系统镜像到目标版；二是作为最终嵌入式系统产品的大容量存储器。

    SD卡有两个可选的通信协议：SD模式和SPI模式。SD模式是SD卡标准的读写方式，但要求主控制器带有SD卡控制器。PXA310本身没有TF卡控制器接口，选用SD模式通信就无形中增加了产品的硬件成本，选择SPI模式可以说是一种最佳的解决方案，相对于SD模式，SPI模式接口与协议简单、易于操作。这时TF卡在PXA3 10 MMC／SD／SDIO主控制器控制下工作。

    2 Blob中TF卡的驱动设计以及FAT32文件系统移植2．1 设计TF卡SPI模式驱动

    TF卡操作遵循SD卡协议，TF卡的操作完全与SD卡相同。相对于SD模式，SPI模式接口与协议简单、易于操作。PXA310带有MMC／SD／SDIO主控制器，但由于Blob中没有提供SD卡与主控制器的具体驱动，实现完整驱动的难度较大，故本文采用GPIO口模拟的SPI模式读写TF卡，运行到Linux内核后再加载主控制器驱动运行SD模式的方式，性能与实现难度都可兼顾。

    
    SPI模式TF卡总线采用主从问答式协议。主机发送命令Command，TF卡应答回复Response。SD卡命令有两种，CMDx和ACMDx。ACMD是应用指令集，属于扩展指令集，在发送任何的ACMD之前，必须先发送CMD55激活，才可以使用ACMD指令集。发送完一个ACMD，并且卡响应了此指令之后，CMD55的作用就消失了，所以要发送多个或多次发送一个ACMD，需要循环发送CMD55+ACMD。

    2．2 SPI模式初始化TF卡流程

    TF卡默认的通信模式是SD模式，本文要在SPI模式下设计TF卡驱动，需要从SD模式切换到SPI。为此，先将TF卡上电，延时74个时钟周期后发送复位命令CMD0，同时将SD卡的CS片选信号置低，若此时接收到应答信号为0x01，说明TF卡进入了SPI模式。

    TF卡与MMC卡都可用SPI模式驱动，故在初始化时可考虑与MMC卡的兼容性。在发送CMD0成功接收到应答信号后，连续发送CMD55+ACMD41，若CMD55回复0x01而ACMD41回复0x00，则TF卡初始化成功。若没有完整的应答，则改发CMD1，若CMD1成功回复0x00，则MMC卡初始化成功。

    在SPI模式下，TF卡的初始化时钟频率不能超过400 kHz。初始化成功后，就可以配置高速时钟下TF卡的读写操作了。图2为TF卡初始化流程图。   

    在Blob中完成TF卡初始化，还需要初始化PXA310的GPIO口，并根据对应TF卡的引脚配置其输入输出关系。

    在Blob中，PXA3 10的PXA_SD_D2、PXA_SD_D3、PXA_SD_CMD、PXA_SD_CLK、PXA_SD_D0、PXA_SD_D1这几个I／O口并没设置为GPIO口，不能在软件上进行读写操作，要使用SPI模式，必须将这几个IO口设置为GPIO。通过在MFP寄存器中配置IO口的功能号，再配置相应参数即可实现。

    2．3 通过SPI读写TF卡的程序设计

    TF卡的读写以块为单位，初始化完成后，使用CMD16设置SD卡读写块长度(512 B)，发送CMD17和CMD24读单块写单块，发送CMD18和CMD25读多块和写多块。实现TF驱动层中读写函数的逻辑流程如图3所示。   

    2．4 FAT32文件系统移植

    在文中，FAT32文件系统移植主要包括系统初始化和文件管理程序修改(主要是文件读取)。FAT32的初始化就是找到各个部分的起始扇区位置。首先查找MBR的分区表，获取分区信息，然后找到每个分区的DBR，再根据DBR中的BPB得到分区的起始扇区、结束扇区、文件系统类型、FAT表个数、每簇占用扇区数等信息。最后根据下面的算法得到文件分配表FAT、文件目录表FDT和数据区DATA的起始扇区。FAT32读取文件流程如图4所示。   

    2．5 设计Blob命令下载系统镜像

    Blob启动之后，首先初始化一些基本的硬件设备如串口等，然后检测系统内存映射，设置CPU运行频率等一些参数，接着就进入了命令行模式。

    在Blob中提供tfdownload命令，主函数的形参就是接收到的命令内容和参数。若参数为“init”，则调用TF卡驱动的初始化，否则将此参数作为文件名传给FAT32文件系统打开并读取文件内容。最终实现“tfdownloadinit”调用TF卡驱动初始化TF卡。使用“tfdownload”+文件名可以调用FAT32文件系统和TF卡的驱动下载该文件名的镜像到内存中。

    2．6 MakeFile文件修改与交叉编译

    (1)TF卡驱动与FAT32文件系统编译

    按照Blob中驱动程序的结构，TF卡驱动与FAT32文件系统源文件保存在／SRC／blob／Platform／Common／Source目录下，而FAT32文件系统头文件在／src／blob／Platform／Common／include目录下，要在编译Blob的时候将添加的驱动一起编译，需要更改相应的Makefile。

    在／src／blob／Platform／Source下有三个Makefile文件，分别是Makefile．am，Makefile和Makefile．in，修改Makefile．am即可，Makefile和Makefile．in会自动修改。主要增加Makefile的头文件寻找目录和编译文件。

    (2)Blob命令编译

    src／commands下的命令编译由同目录的Makefile确定，同样需要修改Makefile使添加的命令编译到Blob中去。另外，要使该命令在Blob中生效，还需要修改Blob的configure．in文件，在configure．in中添加：blob_commands=“$blob_commands，tfdownload”；。

    (3)编译Blob

    linux-2．6．25中集成了Blob，用linux-2．6．25的工具链编译好之后，在…／pxalinux／MHN-LINUX-PLATFORM／rel／target／bin中，boot_nontrust．bin就是生成的Blob镜像。

    2．7 系统镜像下载的实现

    先用tfdownload init命令初始化TF卡驱动，然后使用tfdownload下载系统镜像到内存中，再使用Nandwrite命令写入NandFlash中。

    3 Android下挂载TF卡实现数据存储

    在Android系统中使用TF卡做储存器，必须先将TF卡挂载到Android上。要启用void，需要在Android启动配置文件init．rc中关闭mountd并开启void服务。通过对配置文件init．rc进行下面的修改完成此项功能。

    servICe void／system／bin／void ／／vold服务开启socket void stream 0660 root mount

    ……

    #service mountd／system／bin／mountd／／mountd服务关闭(被注释了)#socket mountd stream 0660 root mount

    void．conf文件是void程序挂载设备的配置文件，里面记载了挂载设备的设备路径、设备类型以及挂载的目标位置(挂载点)。需要在该文件中加入TF卡的挂载信息，然后，将void．conf加入到system／etc目录下，void程序就可以直接读取该配置文件了。

    FAT32属于Windows分区，因为Windows分区里面的文件是没有权限这个概念的，所以在Linux系统中使用此分区时要手动指定默认权限。挂载TF卡之后Android的／sdcard目录不能直接通过chmod命令来修改对于system组的读写权限，在system下是无法直接访问TF卡的，需要在挂载的时候添加权限。在void中，真实挂载TF卡的操作如下：

    rc=mount(deVpath，vol->mount_point，“vfat”，flags，“utf8，uid=1000，gid=1000，FMask=711，DMAsk=700，shortname=mix ed”)；其中uid代表属主，uid=1 000代表system用户，fmask和dmask分别对应文件和目录的权限8进制码的反码。

    4 设计结果展示

    本文调试的数据采集与传输单元实物如图5所示，TF卡位于PCB板右上角。使用该单元录制视频并保存在TF卡中，设定录制时间为30 s，30 s后关闭，取出TF卡，将TF卡与PC连接，录像文件效果如图6所示。   

    使用TF卡下载系统镜像操作步骤如下：
    (1)用“tfdownload init”命令初始化TF卡驱动，返回“TF Card INIT SUCCESS!”即表示TF卡初始化成功。
    (2)然后使用“tfdownload”+文件名的方式下载系统镜像到内存中，显示“TFCARD download done!”即表示TF卡下载镜像成功。
    (3)最后使用Nandwrite命令将内存中的镜像写入NandFlash中，返回“Done!”即表示写入成功。

    使用vold挂载TF卡的操作结果如图7所示。其中“logcat—s void”用来显示void运行的输出信息。“New MMC card‘0000’added”表示成功加载TF卡，“Disk…..New blkdev 179．0”表示TF卡作为一个块设备被成功加载，“Partition…..New blkdev 179．1”表示TF卡第一个分区被成功加载，“Successfully mounted vfat filesystem179：1”表示成功挂载FAT32分区。到这一步，Android系统就已经成功挂载了FAT32系统的TF卡。

    5 结语

    本文结合嵌入式开发调试和嵌入式大容量存储的背景，提出并实现了一个使用TF卡进行嵌入式系统开发调试及存储应用的方案。在嵌入式系统调试中使用TF卡下载系统镜像，速度与通用性都很好，还可以很方便的和PC机交换数据。作为嵌入式产品的一个构成部分，使用TF卡调试既省去了其他下载设备的设计，又可以在系统中作为大容量存储器使用。本文具体完成的工作包括TF卡同应用处理器的连接电路设计、TF卡的驱动程序设计和FAT32文件系统移植、在Android平台下实现了TF卡的自动挂载。