3045.pdf

(920 KB) Pobierz

035-038_czytnik_sd_cz2.indd

Czytnik kart SD na ARM-ie

PROJEKTY

Czytnik kart SD na

ARM–ie, część 2

AVT–5134

Pamięci masowe w postaci

kart SD/MMC znalazły

już stałe miejsce zarówno

w urządzeniach profesjonalnych,

jak i amatorskich, stąd coraz

większe zainteresowanie nimi

naszych Czytelników. W artykule

opisujemy budowę czytnika

takich kart. Po zapoznaniu

się z teorią przedstawioną

w pierwszej części, w drugiej

zostaną opisane konkretne

rozwiązania zastosowane

w czytniku kart SD.

Rekomendacje:

czytnik pozwoli wygodnie

przesyłać dane pomiędzy kartą

pamięciową SD a komputerem.

Skoro znamy już zarys teorii,

warto spojrzeć na rys. 4 ilustrują-

cy, jak powyższe rozważania zostały

zrealizowane w praktyce w czytniku

kart. Na rysunku tym naniesione

są najważniejsze nazwy plików oraz

funkcji biorących udział w przetwa-

rzaniu danych pomiędzy interfejsem

USB i kartą SD.

Blokiem, który wymaga szczegól-

nego komentarza jest plik msc_if.c .

Plik ten składa się z samych funk-

cji inline , więc nie powinien wpro-

wadzić dodatkowych narzutów cza-

sowych. Zastosowany został po to,

aby jak najbardziej ułatwić dosto-

sowanie biblioteki USB Mass Stora-

ge do posiadanej pamięci masowej.

Interfejs tworzony w pliku msc_if.c

jest najprostszym z możliwych i jed-

nocześnie uniwersalnym interfej-

sem do pamięci masowych. Należy

wspomnieć, że odmianą tego inter-

fejsu posługują się biblioteki imple-

mentacji systemu plików FatFs oraz

EFSL.

W funkcjach znajdujących się

w pliku msc_if.c jeden z parametrów

niewykorzystywanych w czytniku

kart to lun . Jest to parametr jedno-

bajtowy (w czytniku kart ma zawsze

wartość 0), reprezentujący numer

PODSTAWOWE PARAMETRY

• Płytka o wymiarach 85x44 mm

• Zasilanie: przez port USB lub z zasilacza

zewnętrznego

• Obsługiwane karty pamięci: SD i MMC

• Interfejs: USB 2.0, Full Speed

• Klasa urządzenia: Mass Storage Class

(pamięć masowa USB)

• Rzeczywista szybkość zapisu danych na

kartę: około 220 kB/s

• Rzeczywista szybkość odczytu danych

z karty: około 300 kB/s

• Brak konieczności instalacji sterowników

dla systemów Windows XP i 2000

Rys. 4. Graficzna interpretacja działania czytnika kart SD

Elektronika Praktyczna 6/2008

35

649301925.105.png

649301925.116.png

649301925.127.png

649301925.138.png

649301925.001.png

649301925.012.png

649301925.023.png

649301925.034.png

649301925.045.png

649301925.056.png

649301925.061.png

649301925.062.png

649301925.063.png

649301925.064.png

649301925.065.png

649301925.066.png

649301925.067.png

649301925.068.png

649301925.069.png

649301925.070.png

649301925.071.png

649301925.072.png

Czytnik kart SD na ARM-ie

jednostki logicznej LUN ( Logical

Unit Number ), do której aktualnie

odnosi się host. Zerowa wartość

parametru lun bierze się stąd, że

podczas inicjalizacji funkcja mscInit

(z pliku msc_ui.c ) została wywołana

z parametrem 0. Jeśli dla przykładu

funkcję tę wywołamy z parametrem

2, w funkcjach zawartych w msc_if.c

(czyli w interfejsie pamięci maso-

wej) będą pojawiać się parametry

lun o wartościach 0, 1 i 2. Zależ-

nie od parametru lun będziemy

wtedy mogli wykonać działania dla

odpowiedniej pamięci masowej, np.

dla kilku kart SD lub dla karty SD,

pamięci DataFlash i dysku twardego,

obsługiwanych za pomocą jednego

czytnika. Każda z tych pamięci bę-

dzie jednostką logiczną i przypisze-

my jej jedną z wartości parametru

lun .

karty tylko hostowi USB (biblioteka

Mass Storage ), albo funkcjom mo-

dyﬁkującym zawartość karty (biblio-

teki systemu plików). Modyﬁkacja

zawartości karty wtedy, gdy host

ma do niej dostęp będzie mia-

ła nieprzewidywalne skutki, nawet

jeśli host w danym momencie nie

prowadzi żadnych operacji na za-

wartości karty.

Budując urządzenie dołączane

do portu USB, ale mogące tak-

że pracować z własnym zasilaniem

będziemy musieli wykryć, czy host

USB został do niego podłączony,

czy też nie. Sprawdzenie, czy host

został dołączony można przeprowa-

dzić, odczytując napięcie sygnału

V_DETECT. Z kolei napięcie V_DE-

TECT najprościej odczytać spraw-

dzając stan logiczny wyprowadze-

nia PA18 mikrokontrolera.

Jeśli dysponuje się w swoim

projekcie systemem operacyjnym,

do kontroli dostępu do karty SD

doskonale nadaje się mechanizm

semaforów wbudowany w system.

Dzięki niemu po podłączeniu urzą-

dzenia do hosta USB i „przejęcia”

przez niego semafora, urządzenie

może być nadal funkcjonalne z wy-

łączeniem jedynie procedur mody-

ﬁkacji karty SD. Semafor zostanie

zwolniony po wykryciu odłącze-

nia urządzenia od hosta – wtedy

przejęcie semafora będzie możliwe

przez bibliotekę systemu plików.

Najrozsądniejszym sposobem im-

plementacji dostępu do karty SD

we własnym programie nie jest

modyﬁkacja danych na poziomie

bloków, lecz zastosowanie odpo-

wiedniej biblioteki systemu pli-

ków. Przykładowo, jako popularne

biblioteki można wymienić: EFSL

( Embedded Filesystems Library ) lub

FatFs – obie służą do implementa-

cji systemu plików FAT. Stosując

bibliotekę systemu plików dokonu-

jemy operacji na plikach, a nie na

blokach.

Przykład: Jeśli chcemy zbudo-

wać rejestrator temperatury zapi-

sujący dane w pliku tekstowym,

implementujemy w urządzeniu

przedstawioną tutaj bibliotekę Mass

Storage Class i bibliotekę obsługi

systemu plików, powiedzmy EFSL.

W pętli głównej programu spraw-

dzamy, czy na wyprowadzeniu

odpowiadającym V_DETECT jest

napięcie, czyli czy host USB jest

podłączony. Jeśli sygnał V_DETE-

CT będzie w stanie niskim (host

odłączony, urządzenie pracuje au-

tonomicznie), możemy wykonywać

pomiary temperatury i zapisywać

dane do plików za pomocą EFSL,

jeśli natomiast okaże się, że V_DE-

TECT jest w stanie wysokim, to

znaczy, że musimy:

a) zakończyć prowadzone operacje

na plikach (zamknąć pliki),

b) włączyć podciągnięcie linii DP

interfejsu USB do +3,3 V, gdy

tylko będziemy gotowi do roz-

poczęcia transmisji USB (w czyt-

niku do tego celu służy sygnał

DP_PULLUP),

c) zacząć wywoływać w pętli funk-

cję mscUIEnumerate aż do cza-

su, gdy sygnał V_DETECT nie

przejdzie w stan niski (czyli

cały czas, gdy urządzenie bę-

dzie dołączone do hosta).

W tym czasie (gdy urządzenie

jest podłączone do hosta) nie wol-

no wykonywać innych dostępów

do karty niż za pomocą mscUIE-

numerate . Po odłączeniu hosta

USB, w urządzeniu należy ponow-

nie zainicjalizować system plików,

ponieważ host mógł zmodyﬁkować

dotychczas używane w urządzeniu

pliki.

Co z systemem plików?

W dyskusjach na temat Mass Sto-

rage Class, jakie toczą się na forach

internetowych, wiele osób twierdzi,

iż do poprawnej pracy urządzenia

potrzebna jest implementacja syste-

mu plików (np. często wykorzysty-

wany w urządzeniach przenośnych

FAT). Otóż system plików warto

zaimplementować w czytniku jedy-

nie wtedy, gdy chcemy, aby czyt-

nik miał możliwość autonomicznej

modyﬁkacji lub odczytu zawartości

karty SD (na poziomie plików, a nie

sektorów) bez udziału hosta USB.

Urządzenie Mass Storage Class

samo w sobie nie ma jakiejkolwiek

kontroli nad treścią zapisywaną

lub odczytywaną z niego, a opera-

cje zapisu/odczytu prowadzone są

sektorami (dysk) lub blokami (kar-

ta). Host podaje adres bloku (czyli

jego numer LBA) z dostępnej puli

wszystkich bloków oraz dane, jakie

ma do niego zapisać lub z niego

odczytać. Urządzenie Mass Storage

ma jedynie odczytać lub zapisać

blok zgodnie z tym, co mówi host,

i to host zajmuje się organizacją

bloków i danych w nich zawartych

tak, aby na dysku/karcie dane były

zapisywane w określonym systemie

plików.

Rozbudowa urządzenia

Zgodnie z tym, co zostało napisa-

ne wcześniej, czytnik kart jest jedy-

nie prezentacją wykorzystania klasy

magazynującej we własnym projek-

cie. Sam czytnik kart o takiej funk-

cjonalności jak w niniejszym arty-

kule ma bardzo niewielką szybkość

(dużo szybszy czytnik wyprodukowa-

ny w Chinach można kupić za kilka

złotych), jednak wzbogacenie wła-

snego urządzenia o możliwość dostę-

pu do pamięci masowej za pomocą

USB może zaowocować znaczącym

wzrostem jego funkcjonalności.

Pisząc oprogramowanie dla wła-

snego urządzenia wykorzystującego

pamięć masową, zaistnieje potrzeba

dołączenia do niego, oprócz opisanej

tutaj biblioteki Mass Storage Device

Class , także biblioteki obsługującej

konkretny system plików – najczę-

ściej będzie to biblioteka obsługują-

ca którąś z odmian systemu plików

FAT.

Obsługa wszystkich interfejsów

napisana jest bez wykorzystania ja-

kichkolwiek przerwań. Można powie-

dzieć, że takie postępowanie marnu-

je możliwości mikrokontrolera. Jest

to prawda, lecz tutaj szybkość pra-

cy nie jest krytyczna, choć i tak jest

Dostęp do karty

Najważniejszą zasadą, jakiej na-

leży bezwzględnie przestrzegać pod-

czas pisania oprogramowania wy-

korzystującego Mass Storage Class

i bibliotekę systemu plików jest za-

pewnienie wyłącznego dostępu do

36

Elektronika Praktyczna 6/2008

649301925.073.png

Czytnik kart SD na ARM-ie

zinterpretuje taką

sytuację jako błąd

transmisji danych).

kontrolera najłatwiej użyć programu

H–Flasher będącego modułem progra-

mu H–JTAG dostępnego za darmo.

Programowanie przy pomocy tzw.

SAM Boot Assistant (SAM–BA) jest

bardzo kłopotliwą czynnością, szcze-

gólnie, że w układach SAM7S nale-

ży podciągać odpowiednie wyprowa-

dzenia (PA0...2) do szyn zasilania.

Ta metoda programowania była już

opisywana w EP [14]. Płytka posia-

da złącze USB i DBGU, więc przy

odrobinie cierpliwości można odpo-

wiednio wysterować wyprowadzenia

PA0...2 oraz zaprogramować układ

przez SAM–BA.

Po odpowiednim zaprogramowa-

niu mikrokontrolera, przy odłączo-

nym zasilaniu, można włożyć kartę

SD do gniazda, a następnie pod-

łączyć urządzenie do portu USB.

W tym momencie powinna rozpocząć

się pierwsza enumeracja układu i po

pewnym czasie powinien pojawić

się dysk wymienny w oknie „Mój

komputer” o wielkości rzeczywistej

pojemności karty SD (jeśli karta jest

sformatowana). Przykładowy „dymek”

podczas instalacji został przedstawio-

ny na rys. 6 , a widok okienka wła-

ściwości dysku na rys. 7 .

Rys. 5. Schemat montażowy płytki czytnika

Montaż

i uruchomienie

Schemat mon-

tażowy płytki dru-

kowanej czytnika

przedstawiono na

rys. 5 . Montaż

może być trudny

ze względu na nie-

wielki rozstaw wy-

prowadzeń mikro-

kontrolera AT91SA-

M7S64. Nie pole-

cam wykonywania

płytki drukowanej

w warunkach do-

mowych bez do-

świadczenia prak-

tycznego i prze-

strzegania reżimu

technologicznego.

Dobrym rozwią-

zaniem może być

zastosowanie płytki ewaluacyjnej

z mikrokontrolerem AT91SAM7S64/

128/256 możliwej do kupienia w po-

pularnych sklepach internetowych.

W przypadku zastosowania zestawu

ewaluacyjnego należy odpowiednio:

– skorygować deﬁnicję wyprowadze-

nia sterującego podciągnięciem li-

nii DP interfejsu USB,

– sprawdzić wyprowadzenie mikro-

kontrolera, do którego podłączo-

ny jest sygnał V_DETECT,

– skorygować ewentualne przyłącze-

nie diod LED,

– zmienić przypisanie wyprowa-

dzeń kontrolerów PIO i SPI dla

karty SD.

Plik wynikowy dostarczony jest

w wersji binarnej pod nazwą SD_

CARD_READER.bin .

Zalecane jest programowanie mi-

krokontrolera SAM7 przy pomocy

interfejsu JTAG. Jeśli Czytelnik za-

mierza uruchomić układ w miarę

szybko i bezstresowo polecam za-

kup odpowiedniego interfejsu JTAG

dla ARM7TDMI. Schematy interfej-

su JTAG są także ogólnodostępne

w Internecie. Ściągając pakiet Win

ARM [1] otrzymujemy schematy kil-

ku różnych wersji tanich JTAG–ów

podłączanych do portu LPT kompu-

tera PC. Są to klony tzw. Wigglera

– wtyczki komercyjnej, jednak roz-

pracowanej przez zwolenników dar-

mowych narzędzi. Jako software do

programowania pamięci Flash mikro-

spora jak na USB Full Speed . Zrezy-

gnowanie z wykorzystania przerwań

przede wszystkim upraszcza kod

i ułatwia przenoszenie biblioteki do

innych aplikacji. Przykładowo projekt

Mass Storage został przeze mnie po-

myślnie przetestowany, gdy pracował

wraz z systemem czasu rzeczywiste-

go FreeRTOS [12]. Jedyne, co wy-

starczyło zrobić, to uruchomić task ,

który – podobnie jak w niniejszej

wersji projektu – zawierał wywołanie

funkcji mscUIEnumerate i niewiel-

kie opóźnienie (dla bezpieczeństwa

można wyłączyć scheduler systemu

operacyjnego na czas wykonywania

funkcji mscUIEnumerate ). Każdy, kto

próbował zaimplementować synchro-

nizację przerwań i tasków w syste-

mie FreeRTOS wie, ile kosztuje sta-

bilne uruchomienie przerwań i prze-

kazanie odpowiednich parametrów

do synchronizacji (np. handlerów

do kontroli semaforów, czy tasków)

pomiędzy trybami Thumb (system)

i ARM (przerwania). Ważne jest, aby

pętla z wywołaniem mscUIEnumera-

te wykonywała się dość szybko (je-

śli program będzie za długo zwlekał

z kolejnymi transferami danych, host

Uwagi końcowe

Układ był testowany na kompute-

rach PC z systemami Windows 2000

oraz XP – w każdym przypadku dzia-

łał poprawnie bez instalacji jakich-

kolwiek dodatkowych sterowników.

Uruchomienie układu na komputerze

z systemem Windows 98SE nie powio-

dło się z powodu braku sterowników

ogólnej klasy magazynującej ( Generic

Mass Storage Device Class ).

Czytnik poprawnie działał z karta-

mi:

Rys. 6. „Dymek” ukazujący się pod-

czas instalacji czytnika

Rys. 7. Okno właściwości dysku wy-

miennego

Elektronika Praktyczna 6/2008

37

649301925.074.png

649301925.075.png

649301925.076.png

649301925.077.png

649301925.078.png

649301925.079.png

649301925.080.png

649301925.081.png

649301925.082.png

649301925.083.png

649301925.084.png

649301925.085.png

649301925.086.png

649301925.087.png

649301925.088.png

649301925.089.png

649301925.090.png

649301925.091.png

649301925.092.png

649301925.093.png

649301925.094.png

649301925.095.png

649301925.096.png

649301925.097.png

649301925.098.png

649301925.099.png

649301925.100.png

649301925.101.png

649301925.102.png

649301925.103.png

649301925.104.png

649301925.106.png

649301925.107.png

649301925.108.png

649301925.109.png

649301925.110.png

649301925.111.png

649301925.112.png

649301925.113.png

649301925.114.png

649301925.115.png

649301925.117.png

649301925.118.png

649301925.119.png

649301925.120.png

649301925.121.png

649301925.122.png

649301925.123.png

649301925.124.png

649301925.125.png

649301925.126.png

649301925.128.png

649301925.129.png

649301925.130.png

649301925.131.png

649301925.132.png

649301925.133.png

649301925.134.png

649301925.135.png

649301925.136.png

649301925.137.png

649301925.139.png

649301925.140.png

649301925.141.png

649301925.142.png

649301925.143.png

649301925.144.png

649301925.145.png

649301925.146.png

649301925.147.png

649301925.148.png

649301925.002.png

649301925.003.png

649301925.004.png

649301925.005.png

649301925.006.png

649301925.007.png

649301925.008.png

649301925.009.png

649301925.010.png

649301925.011.png

649301925.013.png

649301925.014.png

649301925.015.png

649301925.016.png

649301925.017.png

649301925.018.png

649301925.019.png

649301925.020.png

649301925.021.png

649301925.022.png

649301925.024.png

649301925.025.png

649301925.026.png

649301925.027.png

649301925.028.png

649301925.029.png

649301925.030.png

649301925.031.png

649301925.032.png

649301925.033.png

649301925.035.png

649301925.036.png

649301925.037.png

649301925.038.png

649301925.039.png

649301925.040.png

649301925.041.png

649301925.042.png

649301925.043.png

649301925.044.png

649301925.046.png

649301925.047.png

649301925.048.png

649301925.049.png

649301925.050.png

649301925.051.png

649301925.052.png

649301925.053.png

649301925.054.png

649301925.055.png

Czytnik kart SD na ARM-ie

– SD 128 MB oraz 1 GB ﬁrmy King-

ston (wersja standardowa, bez hi–

–speed),

– SD 256 MB bliżej nieokreślonej ﬁr-

my (na karcie znajduje się jednak

oﬁcjalne logo SD),

– kartą oznaczoną jako „Secure Di-

gital” ﬁrmy Hama, lecz bez oﬁ-

cjalnego logo SD, o pojemności

256 MB,

– SD 16 MB ﬁrmy Canon,

– MMC 16 MB ﬁrmy Canon.

Na koniec chciałbym jeszcze wy-

tłumaczyć się z rozbieżności w or-

ganizacji kodu i nazwach funkcji

w tym opracowaniu oraz w artykule

[13]. Biorą się one stąd, że zanim

bieżący artykuł został opublikowa-

ny napisałem nową wersję oprogra-

mowania obsługującego klasę ma-

gazynującą USB. Niniejszy artykuł

przepisałem tak, aby dotyczył już

nowej wersji, która zapewne ułatwi

czytanie i analizę kodu.

Opiekunami naukowymi projek-

tu są: dr inż. Cezary Worek i mgr

inż. Łukasz Krzak. Projekt powstał

w ramach praktyk wakacyjnych kie-

rowanych przez dr inż. Cezarego

Worka w Katedrze Elektroniki Akade-

mii Górniczo–Hutniczej w Krakowie.

Specjalne podziękowania kieruję

do Pana mgr inż. Łukasza Krzaka

za pomoc przy realizacji transmisji

USB.

Robert Brzoza–Woch

R

E

K

L

A

M

A

38

Elektronika Praktyczna 6/2008

649301925.057.png

649301925.058.png

649301925.059.png

649301925.060.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Mikrokontrolery dla początkujących - Piotr Górecki.pdf (256777 KB)
AVR i ARM7. Programowanie mikrokontrolerów dla każdego.pdf (530856 KB)
A. Witkowski - Mikrokontrolery AVR - programowanie w języku C. przykłądy zastosowań.pdf (16603 KB)
2434.pdf (1252 KB)
2562.pdf (376 KB)

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin