51單片機如何實現(xiàn)對CF卡的讀寫

　　由于CF卡（Compact Flash Card）具有容量大、體積小、高性能、攜帶方便等優(yōu)點，而且讀寫速度快，可與多種電腦操作系統(tǒng)平臺兼容，因此在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)記錄或與PC機之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存多采用CF卡。為了在PC機中能方便地進行數(shù)據(jù)處理，在下位機端必須采用一種標(biāo)準的格式組織數(shù)據(jù)，即將數(shù)據(jù)按照Windows標(biāo)準文件格式寫入，在PC機端通過讀卡器將寫入CF的內(nèi)容以標(biāo)準文件形式讀出。Windows標(biāo)準文件格式有FAT、FAT32和NTFS?？紤]到廣泛使用的Windows 98系統(tǒng)的CF卡的容量等因素，通常采用FAT（File Allocation Table）文件系統(tǒng)。單片機系統(tǒng)對CF卡的讀寫，就是從底層對它進行直接操作，包括尋址、創(chuàng)建文件和讀寫等。

　　1 CF卡簡介

　　CF卡內(nèi)集成了控制器、Flash Memory陣列和讀寫緩沖區(qū)，如圖1所示。內(nèi)置的智能控制器，使外圍電路設(shè)計大大簡化，而且完全符合PC機內(nèi)存卡的國際聯(lián)合會PCMCIA（Personal Computer Memory Card International Association）和ATA（Advanced Technology Attachment）接口規(guī)范。實際上，控制器起到了一種協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用，即將對Flash Memory的讀寫轉(zhuǎn)化成了對控制器的訪問，這樣不同的CF卡都可以用單一的機構(gòu)來讀寫，而不用擔(dān)心兼容性問題。CF卡的緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)，使得外部設(shè)備與CF卡通信的同時，CF卡的片內(nèi)控制器可以對Flash進行讀寫。這種設(shè)計可以增加CF卡數(shù)據(jù)讀寫的可靠性，同時提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

　　CF卡支持多種接口訪問模式，有符合PCMCIA規(guī)范的Memory Mapped模式、I/O Card模式和符合ATA規(guī)范的True IDE模式。上電時，OE（9腳）為低電平，CF卡進入True IDE模式，此時引腳OE也叫ATA SEL；上電時，OE（9腳）為高電平，CF卡進入PCMCIA模式，即Memory Mapped模式或I/O Card模式，此時可通過修改配置選項寄存器進入相應(yīng)的模式。

　　配置選項寄存器格式如下：

　　SRESET—軟復(fù)位信號；

　　Level REQ—中斷模式選擇（電平或邊沿觸發(fā)）。

　　例如，要加入Memory mapped模式，只需要在上電時保證OE為高電平，因為配置選項寄存器的conf5～conf0位的初始化值為“00000”；而要進入I/O Card模式，除了上電時保證OE為高電平外，還要進一步設(shè)置conf5～conf0，如表1所列。但是對于具體型號的CF卡而言，下面三種情況也是被CFA（CF card Association）所允許的：①上電時進入True IDE模式，工作過程中，只要監(jiān)測到OE變?yōu)楦?，就退出True IDE模式；②允許卡在復(fù)位時重新配置；③上電時進入PCMCIA模式，允許過程中，只要監(jiān)測到OE變?yōu)榈?，就進入True IDE模式。

　　表1 模式選擇

　　2 CF卡與51單片機的接口

　　CF卡在PC Memory方式與51芯片的接口電路如圖2所示。由于采用CF卡上電后自動進入的Memory模式，而且不存在對特性寄存器的讀寫，故可將REG接高電平。片選信號CE1和CE2組合可選擇數(shù)據(jù)位寬度，如表2所列。圖2中CE2接VCC，選用的是8位（D7～D0）數(shù)據(jù)寬度。

　　表2 數(shù)據(jù)寬度選擇

　　為了實現(xiàn)即插即用的功能，CE卡上提供了兩個用來檢測卡是否存在的引腳（CD1、CD2），由卡內(nèi)部接地。當(dāng)主機檢測到與其相連的CD1和CD2兩個引腳同時為低電平時，可判斷出卡與主機相連；否則，卡未與主機相連。

　　由于I/O口緊張，RDY/BSY引腳懸空不用，通過查詢狀態(tài)寄存器能判斷CF卡是否準備就緒。在實際應(yīng)用中，由于一次至少要讀寫一個扇區(qū)512字節(jié)，所以要擴充一塊RAM。我們選用的是62256，容量為32KB，這樣便可以支持大到2GB的CF卡（參見下文），增加了其擴展性。

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　　3 FAT文件系統(tǒng)

　　FAT文件系統(tǒng)是基于DOS的文件系統(tǒng)。常說的FAT有12位的FAT12和16位的FAT16，另外就是32位的FAT32。考慮到CF卡的容量有限，宜選用FAT16。這里只對FAT文件系統(tǒng)作一簡單介紹，更詳細的內(nèi)容請見參考文獻。

　　磁盤的尋址方式有兩種：物理尋址C/H/S（柱面/磁頭/扇區(qū)）方式和邏輯塊LBA（Logical Block Addressing）尋址方式。二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

　　LBA地址=（柱面號×磁頭數(shù)+磁頭號）×扇區(qū)數(shù)+扇區(qū)數(shù)-1

　　采用LBA尋址方式，沒有磁頭和磁道的轉(zhuǎn)換操作，在訪問連續(xù)的扇區(qū)時，操作速度比物理尋址方式要快，而且也簡化了對磁盤的訪問。

　　硬盤的結(jié)構(gòu)布局分為MBR（主引導(dǎo)扇區(qū)）和最多4個邏輯分區(qū)（含DOS分區(qū)或非DOS分區(qū)），而在DOS邏輯分區(qū)中的磁盤組織如下：

　　引導(dǎo)扇區(qū)DBR（DOS Boot Record）:位于LBA 0扇區(qū)，包含跳轉(zhuǎn)指令、廠商標(biāo)識和DOS版本號、BPB（BIOS Parameter Block,BIOS參數(shù)塊）、DOS引導(dǎo)程序、結(jié)束標(biāo)志字AA55。其中BPB包含每扇區(qū)字節(jié)數(shù)、每簇扇區(qū)數(shù)、每個FAT扇區(qū)數(shù)、扇區(qū)總線、根目錄項數(shù)等等參數(shù)。

　　FAT是給每個文件分配磁盤物理空間的表格。FAT16簇數(shù)的上限是2 16，即65536個，每簇扇區(qū)數(shù)的上限是64個，因此其分區(qū)空間的上限為2G。FAT1位于邏輯1扇區(qū)。FAT簇映射中，0000表示空簇，F(xiàn)FF0～FFF6備用，F(xiàn)FF8～FFFF表示簇鏈結(jié)束，F(xiàn)FF7表示壞簇，其余值表示其后續(xù)簇的簇號。圖3所示的文件起始簇號為2，結(jié)束簇號為4，共占用2、3、4三個簇。

　　簇是存儲文件的最小單位，可以包含多個扇區(qū)。當(dāng)文件本身或文件的最后一簇哪怕只有1個字節(jié)，也要占去1簇。這樣，當(dāng)這種文件很多時，空間的浪費是很可觀的。

　　文件目錄表FDT（File Directory Table）是操作系統(tǒng)尋找文件的入口，其內(nèi)容是每一個文件的目錄。FDT中的每一個目錄項由32個字節(jié)組成。前8個字節(jié)是文件名，不足時用空格填滿。緊跟著的3個字節(jié)是文件擴展名，接下來是10個字節(jié)的系統(tǒng)保留字。然后是文件產(chǎn)生的時刻和日期占8個字節(jié)，再后的2個字節(jié)是文件首簇號，最后4個字節(jié)是文件大小。FDT的起始扇區(qū)可由FAT的大小計算出，而FAT的大小可在DBR中讀出。

　　4 軟件實現(xiàn)

　　按照FAT16方式存儲文件，是一個通用的解決方案。因為這樣可以得到現(xiàn)有的DOS和Windows系統(tǒng)的支持，但是代價是浪費一部分空間，也就是說存儲效率下降了。為了改善這一情況，采用了改進的存儲方法。就是先創(chuàng)建一個空文件，并根據(jù)需要為其分配一個大的存儲空間，寫入動作只是從尾部追加數(shù)據(jù)。這樣就避免了很多小文件的產(chǎn)生，既可以充分利用存儲空間，又可以使地址連續(xù)。

　　CF卡的讀寫是通過卡內(nèi)的緩沖區(qū)進行的，不支持直接讀寫存儲區(qū)域。緩沖區(qū)為一個FIFO結(jié)構(gòu)，讀寫順序進行，不支持隨機存取，系統(tǒng)只能一次性地按順序讀完或?qū)懲晁幸粋€或多個扇區(qū)。

　　設(shè)計時使用LBA方式訪問CF卡比較方便，讀寫時只需要先在相應(yīng)的寄存器寫入LBA地址即可。要設(shè)定LBA方式，需訪問驅(qū)動器/磁頭寄存器。內(nèi)存模式下部分寄存器譯碼如表3所列。

　　表3 內(nèi)存模式下部分寄存器譯碼

　　驅(qū)動器/磁頭寄存器結(jié)構(gòu)如下：

　　LBA—1為LBA方式，0為C/H/S（柱面/磁頭/扇區(qū)）方式；DRV—選擇驅(qū)動器0或驅(qū)動器1；HS3～HS0—LBA27～24，或為C/H/S方式的磁頭號。

　　文件創(chuàng)建過程也就是針對FAT和FDT的讀寫過程。首先在FDT中申請表項，創(chuàng)建文件名稱、屬性、起始簇號、文件大小等，然后修改FAT，分配數(shù)據(jù)空間，備份FAT。文件存儲就是要先從FDT和FAT中獲得文件的起始簇號和簇號鏈，即LBA地址。然后，將此地址送給寄存器3、4、5、6（表3中的offset3、4、5、6），向扇區(qū)數(shù)寄存器填寫讀寫數(shù)據(jù)所占的扇區(qū)個數(shù)，再向CF卡的命令寄存器寫入操作的命令字，寫操作30H，讀操作20H。當(dāng)寫入命令或?qū)懭霐?shù)據(jù)后要查詢狀態(tài)寄存器的狀態(tài)，以判定CF卡是否準備就緒或?qū)懭氤晒Α顟B(tài)寄存器結(jié)構(gòu)如下：

　　各位的值為1時含義如下：

　　BUSY—CF卡記，此時不能接受其它命令；

　　RDY—卡可以接受命令；

　　DWF—寫錯誤；

　　DSC—卡準備就緒；

　　DRQ—CF卡請求數(shù)據(jù)傳送；

　　CORR—數(shù)據(jù)錯誤但被修正，不會終止多扇區(qū)讀操作；

　　ERR—在上一命令以某種錯誤結(jié)束，可以在錯誤寄存器中查看錯誤類型。

　　下面以向CF卡寫一個扇區(qū)數(shù)據(jù)為例，給出圖4所示流程和C程序代碼。

bit flag_1,flag_2;void cfwr(){unsigned char status;cfwr_comm(0xe0,0x00,0x00,0x6c);//寫參數(shù)命令，指向邏輯6c扇區(qū)do{status=PBYTE[0x07]; //讀狀態(tài)寄存器if((status  0x01)==0x01)flag_1=1; //若ERR=1，置出錯標(biāo)志，做相應(yīng)處理while(status!=0x58);cfwr_dat(); //寫入數(shù)據(jù)do{status=PBYTE[0x07]; //讀狀態(tài)寄存器if((status  0x20)==0x20)flag_2=1; //若DWF=1時，置出錯標(biāo)志，做相應(yīng)處理while(status!=0x50);}void cfwr_comm(unsigned char lba27,lba23,la15,lba7) //寫參數(shù)命令函數(shù){PBYTE[0x02] 扇區(qū)數(shù)為1PBYTE[0x03]=lba7;PBYTE[0x04]=la15;PBYTE[0x05]=lba23;PBYTE[0x06]=lba27; //設(shè)定LBA方式PBYTE[0x07]=0x30; //送寫入命令30H}void cfwr_dat() //寫數(shù)據(jù)函數(shù){unsigned int i,temp;unsigned char xdata dat[512]; //dat[]存放一個扇區(qū)的數(shù)據(jù)for (i=0;i512;i++) //連續(xù)寫512字節(jié){P1=P1  0xf8; //選中外部RAMtemp=dat[i];P1++; //根據(jù)實際電路選擇中CF卡PBYTE[0x00]=temp;}}

　　5 結(jié)論

　　筆者在濕度檢測儀中，根據(jù)本文所介紹的方法，用CF卡向計算機轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)，可以非常方便地對數(shù)據(jù)進行維護。