SDカードとのアクセス（FAT32について）

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1. SDカードから色情報を読みだしたい！ BruCandy
2. FPGAでSDカードの中にある情報を読み出したかった... 使用したもの ・Tang Nano 9K ・ラズパイピコ2 ・ILI9341搭載LCD(SPI通信対応) ・ブレッドボード、ジャンパワイヤなど配線類
3. きっかけ 春休み中に、LCDに画像を描画することに挑戦した。その結果、制限付きではあるが 成功した。 ・色が不正確　→　原因はわからない　→　3色（白、黒、中間色）に絞って描画 ・画像サイズが(135×135px)　→　Gowin提供のIP Coreの制限による問題 とりあえず、画像サイズを大きく表示することを目指した　→ ・使用しているLCDにはSDカードのスロットがついている ・SDカードはSPI通信でアクセスできる 　⇒　SDカードをROMとして扱う
4. 今回の目標 SDカードに保存したファイルを読み出す。 ・あらかじめ、色情報（３バイト）を含んだファイルを一つだけSDカードに保存 ・読み取った色情報を使用して、その色の正方形をLCDに描画　（LCDへの描画方法の説明は省略） ⇒　 ・　3バイトのファイルが一つだけなので、　FATの操作をする必要がなくなる 　→　簡単に読み取ることができる！
5. FAT32について ・SDカードはSDHCの32GBを使用した。 ・フォーマットはFAT32で、SDカードから情報を読み出すにはFAT32の仕組みを ある程度理解する必要がある。　（ライブラリを使うならば、不要） FAT(File Allocation Table)32とは 　→　ファイルシステムの一つ 　→　FATにはFAT12、FAT16、FAT32、VFAT、exFATの5種類が存在する
6. FAT32について（ファイルシステムの全体像） MBR パーティション1 パーティション2 パーティション3 パーティション4 BPB FAT1 FAT2 ユーザー領域 Boot Strap Loader パーティション テーブル2～4 Boot Signature パーティション テーブル1 パーティションは 四つまで定義可能 今回は パーティション1の みを使用
7. MBR パーティション テーブル1 PT_LbaOfs パーティション1 BPB FAT1 FAT2 ユーザー領域 求めるものは ユーザー領域内に ある目標ファイルの セクタ番号 ① ② ② ・BPB_SecPerVlus 　→1クラスタ何セクタか ・BPB_RsvdSecCnt 　→① ・BPB_FATSz32 　→② ・BPB_RootClus 　→ルートディレクトリの先頭クラスタ番号
8. BPB FAT1 FAT2 ユーザー領域 PT_LbaOfs + ① + 2×② クラスタ 0 クラスタ 1 クラスタ 2 BPB_RootClus ディレクトリエントリー ・ファイル名 ・位置　　　　　　　　　etc
9. クラスタ 6 ディレクトリエントリー 　・ファイル名 　・位置　　　　　　　etc PT_LbaOfs + ① + 2×② + (6 - 2) × 4 CMD17の引数に指定 PT_LbaOfs + ① + 2×②
10. FAT32について（MBR） ・１セクタ　=　512バイト （SDカードのCMD16で設定可能） ・セクタ単位でSDカードからデータを取り出す ・目標はユーザー領域内の読み出したいファイルがどこにあるか見つけること ・MBRは最初のセクタに存在し、512バイト ・MBRの中のパーティションテーブルに、それぞれのパーティションの位置と種類が 格納されている。 パーティション1へのアクセスのために開始セクタの番号を知る必要があるため、 パーティションテーブル1の「PT_LbaOfs」（454から4バイト）を読み出す。
11. FAT32について（ファイルシステムの全体像） MBR パーティション1 パーティション2 パーティション3 パーティション4 BPB FAT1 FAT2 ユーザー領域 Boot Strap Loader パーティション テーブル2～4 Boot Signature パーティション テーブル1
12. MBR パーティション テーブル1 PT_LbaOfs パーティション1 BPB FAT1 FAT2 ユーザー領域 求めるものは ユーザー領域内に ある目標ファイルの セクタ番号 ① ② ② ・BPB_SecPerVlus 　→1クラスタ何セクタか ・BPB_RsvdSecCnt 　→① ・BPB_FATSz32 　→② ・BPB_RootClus 　→ルートディレクトリの先頭クラスタ番号
13. FAT32について（BPB） ・パーティション内のBPBにそのパーティションの管理情報（詳細な情報）が格納されている 　（例）　1クラスタに何セクタがあるか　など ・クラスタとは、セクタの集まり。今回の場合は1クラスタ = ４セクタ。ファイルはクラスタ単位で管理 されている。 BPBからは以下の四つの情報を取り出す ・1クラスタ何セクタ？　→　BPB_SecPerClus　(13) ・パーティション先頭から、最初のFAT領域までのセクタ数　→　BPB_RsvdSecCnt　(14,15) ・1つのFATが占めるセクタ数　→　BPB_FATSz32　(36～39) ・ルートディレクトリの先頭クラスタ番号　→　BPB_RootClus　(44～47)
14. FAT32について（ファイルシステムの全体像） MBR パーティション1 パーティション2 パーティション3 パーティション4 BPB FAT1 FAT2 ユーザー領域 Boot Strap Loader パーティション テーブル2～4 Boot Signature パーティション テーブル1
15. MBR パーティション テーブル1 PT_LbaOfs パーティション1 BPB FAT1 FAT2 ユーザー領域 求めるものは ユーザー領域内に ある目標ファイルの セクタ番号 ① ② ② ・BPB_SecPerVlus 　→1クラスタ何セクタか ・BPB_RsvdSecCnt 　→① ・BPB_FATSz32 　→② ・BPB_RootClus 　→ルートディレクトリの先頭クラスタ番号
16. FAT32について（ディレクトリエントリー） ここまでの情報でユーザ領域の先頭セクタ番号が求まる 　→　PT_LbaOfs + BPB_RsvdSecCnt + 2 × BPB_FATSz32　 次に、目標のファイルのクラスタ番号を求める必要がある。　 　→　その情報を管理するのがディレクトリエントリー ディレクトリエントリーにはファイルの名前やそのファイルの先頭クラスタ番号が保存されている。 SDカード内にあるファイルはそれぞれディレクトリエントリー(32バイト)を１つ持っており、そのディ レクトリエントリーにあるファイル名を参考に、目標ファイルのディレクトリエントリーを探し出す。 見つけることができたら、そのディレクトリエントリーから目標ファイルのクラスタ番号を読みだす。 ① ②
17. FAT32について（ファイルシステムの全体像） MBR パーティション1 パーティション2 パーティション3 パーティション4 BPB FAT1 FAT2 ユーザー領域 Boot Strap Loader パーティション テーブル2～4 Boot Signature パーティション テーブル1
18. BPB FAT1 FAT2 ユーザー領域 PT_LbaOfs + ① + 2×② クラスタ 0 クラスタ 1 クラスタ 2 BPB_RootClus ディレクトリエントリー 　・ファイル名 　・位置　　　　　　　etc
19. FAT32について（ディレクトリエントリー） ディレクトリエントリーはユーザー領域のBPB_RootClusに格納されている。 その中で、32バイトずつデータを取り出して、目標ファイルのディレクトリエントリー を探し出す。 ⇒以上の作業により、目標ファイルの先頭セクタ番号が求まる ユーザ領域の先頭セクタ番号 + (目的のクラスタ番号 - 2) × BPB_SecPerClus （クラスタ番号0,1は使用することができないため-2をする）
20. クラスタ 6 ディレクトリエントリー 　・ファイル名 　・位置　　　　　　　etc PT_LbaOfs + ① + 2×② + (6 - 2) × 4 CMD17の引数に指定 PT_LbaOfs + ① + 2×②
21. FAT32について 今回は簡単にするため、SDカード内には色情報が含まれる3バイトのファイル一つの みを格納した。　 →　ファイルの大きさが4×512バイトを超えると、複数のクラスタで管理する必要が ある 複数のクラスタで管理するための情報が含まれているのがFAT。 FATは各クラスタの次に続くクラスタ番号を管理している。 　→　クラスタをまたいでファイルの保存が可能 ファイル数が多い場合、ディレクトリエントリーが一つのクラスタに格納されるとは限 らないので、この場合もFATが必要。 FAT2はFAT1のコピー。
22. FAT32について（ファイルシステムの全体像） MBR パーティション1 パーティション2 パーティション3 パーティション4 BPB FAT1 FAT2 ユーザー領域 Boot Strap Loader パーティション テーブル2～4 Boot Signature パーティション テーブル1
23. 手順(SDHCのみ) 1. 低速クロックでスタート 2. ダミークロックを流す　→　コマンドを受け付ける準備を完了 3. CMD0　→　ソフトウェアリセット 4. CMD8　→　動作電圧確認（必要） 5. ACMD41（CMD55 CMD41）　→　初期化 6. 高速クロックに切り替え 7. CMD17でセクタを読み出す。　→　引数にセクタ番号を指定する。 CMD17を使って、PT_LbaOfsやBPB_RootClusなどを読みだして、その値をも とに目標ファイルの先頭セクタ番号を求める。そして、その番号をＣＭＤ１７の引数に 渡すことで、データを取り出すことができる。 （あらかじめ、目標ファイルの先頭セクタ番号がわかっていたら、PT_LbaOfsやBPB_RootClusなどを読みだす必要なし）
24. ラズパイによるテストの結果　・　現状 ラズパイを使って、実際に動かした。 SDカード内には色情報 0x00, 0x00, 0xFF　（青）　を含んだファイルを格納して いる。 実行した結果、右上の図のように青色の正方形の描画に成功した。 その後、SDカード内のデータを0x00, 0xFF, 0x00　（緑） に変更した結果、右下の図のように緑色の正方形の描画に成功した。 現状　⇒　FPGAで実装したが、初期化も失敗　→　画像描画までは進める
25. 参考 ・MMC/SDCの使い方 　→　https://elm-chan.org/docs/mmc/mmc.html ・FPGAでSDカードと通信してみる。 　→　https://rafale28.hatenablog.com/entry/2017/09/06/143309 ・FAT32ファイルシステム読解 　→　https://zenn.dev/hidenori3/articles/3ce349c02e79fa