51單片機如何實(shí)現對CF卡的讀寫(xiě)

　　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(diǎn)，而且讀寫(xiě)速度快，可與多種電腦操作系統平臺兼容，因此在數據采集系統中的數據記錄或與PC機之間的數據轉存多采用CF卡。為了在PC機中能方便地進(jìn)行數據處理，在下位機端必須采用一種標準的格式組織數據，即將數據按照Windows標準文件格式寫(xiě)入，在PC機端通過(guò)讀卡器將寫(xiě)入CF的內容以標準文件形式讀出。Windows標準文件格式有FAT、FAT32和NTFS?？紤]到廣泛使用的Windows 98系統的CF卡的容量等因素，通常采用FAT（File Allocation Table）文件系統。單片機系統對CF卡的讀寫(xiě)，就是從底層對它進(jìn)行直接操作，包括尋址、創(chuàng )建文件和讀寫(xiě)等。

　　1 CF卡簡(jiǎn)介

　　CF卡內集成了控制器、Flash Memory陣列和讀寫(xiě)緩沖區，如圖1所示。內置的智能控制器，使外圍電路設計大大簡(jiǎn)化，而且完全符合PC機內存卡的國際聯(lián)合會(huì )PCMCIA（Personal Computer Memory Card International Association）和ATA（Advanced Technology Attachment）接口規范。實(shí)際上，控制器起到了一種協(xié)議轉換的作用，即將對Flash Memory的讀寫(xiě)轉化成了對控制器的訪(fǎng)問(wèn)，這樣不同的CF卡都可以用單一的機構來(lái)讀寫(xiě)，而不用擔心兼容性問(wèn)題。CF卡的緩沖區結構，使得外部設備與CF卡通信的同時(shí)，CF卡的片內控制器可以對Flash進(jìn)行讀寫(xiě)。這種設計可以增加CF卡數據讀寫(xiě)的可靠性，同時(shí)提高數據傳輸速率。

　　CF卡支持多種接口訪(fǎng)問(wèn)模式，有符合PCMCIA規范的Memory Mapped模式、I/O Card模式和符合ATA規范的True IDE模式。上電時(shí)，OE（9腳）為低電平，CF卡進(jìn)入True IDE模式，此時(shí)引腳OE也叫ATA SEL；上電時(shí)，OE（9腳）為高電平，CF卡進(jìn)入PCMCIA模式，即Memory Mapped模式或I/O Card模式，此時(shí)可通過(guò)修改配置選項寄存器進(jìn)入相應的模式。

　　配置選項寄存器格式如下：

　　SRESET—軟復位信號；

　　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(shí)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(jìn)入I/O Card模式，除了上電時(shí)保證OE為高電平外，還要進(jìn)一步設置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(shí)進(jìn)入True IDE模式，工作過(guò)程中，只要監測到OE變?yōu)楦?，就退出True IDE模式；②允許卡在復位時(shí)重新配置；③上電時(shí)進(jìn)入PCMCIA模式，允許過(guò)程中，只要監測到OE變?yōu)榈?，就進(jìn)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(dòng)進(jìn)入的Memory模式，而且不存在對特性寄存器的讀寫(xiě)，故可將REG接高電平。片選信號CE1和CE2組合可選擇數據位寬度，如表2所列。圖2中CE2接VCC，選用的是8位（D7～D0）數據寬度。

　　表2 數據寬度選擇

　　為了實(shí)現即插即用的功能，CE卡上提供了兩個(gè)用來(lái)檢測卡是否存在的引腳（CD1、CD2），由卡內部接地。當主機檢測到與其相連的CD1和CD2兩個(gè)引腳同時(shí)為低電平時(shí)，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(guò)查詢(xún)狀態(tài)寄存器能判斷CF卡是否準備就緒。在實(shí)際應用中，由于一次至少要讀寫(xiě)一個(gè)扇區512字節，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(jiàn)下文），增加了其擴展性。

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　　3 FAT文件系統

　　FAT文件系統是基于DOS的文件系統。常說(shuō)的FAT有12位的FAT12和16位的FAT16，另外就是32位的FAT32?？紤]到CF卡的容量有限，宜選用FAT16。這里只對FAT文件系統作一簡(jiǎn)單介紹，更詳細的內容請見(jiàn)參考文獻。

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

　　LBA地址=（柱面號×磁頭數+磁頭號）×扇區數+扇區數-1

　　采用LBA尋址方式，沒(méi)有磁頭和磁道的轉換操作，在訪(fǎng)問(wèn)連續的扇區時(shí)，操作速度比物理尋址方式要快，而且也簡(jiǎn)化了對磁盤(pán)的訪(fǎng)問(wèn)。

　　硬盤(pán)的結構布局分為MBR（主引導扇區）和最多4個(gè)邏輯分區（含DOS分區或非DOS分區），而在DOS邏輯分區中的磁盤(pán)組織如下：

　　引導扇區DBR（DOS Boot Record）:位于LBA 0扇區，包含跳轉指令、廠(chǎng)商標識和DOS版本號、BPB（BIOS Parameter Block,BIOS參數塊）、DOS引導程序、結束標志字AA55。其中BPB包含每扇區字節數、每簇扇區數、每個(gè)FAT扇區數、扇區總線(xiàn)、根目錄項數等等參數。

　　FAT是給每個(gè)文件分配磁盤(pán)物理空間的表格。FAT16簇數的上限是2 16，即65536個(gè)，每簇扇區數的上限是64個(gè)，因此其分區空間的上限為2G。FAT1位于邏輯1扇區。FAT簇映射中，0000表示空簇，FFF0～FFF6備用，FFF8～FFFF表示簇鏈結束，FFF7表示壞簇，其余值表示其后續簇的簇號。圖3所示的文件起始簇號為2，結束簇號為4，共占用2、3、4三個(gè)簇。

　　簇是存儲文件的最小單位，可以包含多個(gè)扇區。當文件本身或文件的最后一簇哪怕只有1個(gè)字節，也要占去1簇。這樣，當這種文件很多時(shí)，空間的浪費是很可觀(guān)的。

　　文件目錄表FDT（File Directory Table）是操作系統尋找文件的入口，其內容是每一個(gè)文件的目錄。FDT中的每一個(gè)目錄項由32個(gè)字節組成。前8個(gè)字節是文件名，不足時(shí)用空格填滿(mǎn)。緊跟著(zhù)的3個(gè)字節是文件擴展名，接下來(lái)是10個(gè)字節的系統保留字。然后是文件產(chǎn)生的時(shí)刻和日期占8個(gè)字節，再后的2個(gè)字節是文件首簇號，最后4個(gè)字節是文件大小。FDT的起始扇區可由FAT的大小計算出，而FAT的大小可在DBR中讀出。

　　4 軟件實(shí)現

　　按照FAT16方式存儲文件，是一個(gè)通用的解決方案。因為這樣可以得到現有的DOS和Windows系統的支持，但是代價(jià)是浪費一部分空間，也就是說(shuō)存儲效率下降了。為了改善這一情況，采用了改進(jìn)的存儲方法。就是先創(chuàng )建一個(gè)空文件，并根據需要為其分配一個(gè)大的存儲空間，寫(xiě)入動(dòng)作只是從尾部追加數據。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。

　　CF卡的讀寫(xiě)是通過(guò)卡內的緩沖區進(jìn)行的，不支持直接讀寫(xiě)存儲區域。緩沖區為一個(gè)FIFO結構，讀寫(xiě)順序進(jìn)行，不支持隨機存取，系統只能一次性地按順序讀完或寫(xiě)完所有一個(gè)或多個(gè)扇區。

　　設計時(shí)使用LBA方式訪(fǎng)問(wèn)CF卡比較方便，讀寫(xiě)時(shí)只需要先在相應的寄存器寫(xiě)入LBA地址即可。要設定LBA方式，需訪(fǎng)問(wèn)驅動(dòng)器/磁頭寄存器。內存模式下部分寄存器譯碼如表3所列。

　　表3 內存模式下部分寄存器譯碼

　　驅動(dòng)器/磁頭寄存器結構如下：

　　LBA—1為L(cháng)BA方式，0為C/H/S（柱面/磁頭/扇區）方式；DRV—選擇驅動(dòng)器0或驅動(dòng)器1；HS3～HS0—LBA27～24，或為C/H/S方式的磁頭號。

　　文件創(chuàng )建過(guò)程也就是針對FAT和FDT的讀寫(xiě)過(guò)程。首先在FDT中申請表項，創(chuàng )建文件名稱(chēng)、屬性、起始簇號、文件大小等，然后修改FAT，分配數據空間，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），向扇區數寄存器填寫(xiě)讀寫(xiě)數據所占的扇區個(gè)數，再向CF卡的命令寄存器寫(xiě)入操作的命令字，寫(xiě)操作30H，讀操作20H。當寫(xiě)入命令或寫(xiě)入數據后要查詢(xún)狀態(tài)寄存器的狀態(tài)，以判定CF卡是否準備就緒或寫(xiě)入成功。狀態(tài)寄存器結構如下：

　　各位的值為1時(shí)含義如下：

　　BUSY—CF卡記，此時(shí)不能接受其它命令；

　　RDY—卡可以接受命令；

　　DWF—寫(xiě)錯誤；

　　DSC—卡準備就緒；

　　DRQ—CF卡請求數據傳送；

　　CORR—數據錯誤但被修正，不會(huì )終止多扇區讀操作；

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

　　下面以向CF卡寫(xiě)一個(gè)扇區數據為例，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(xiě)參數命令，指向邏輯6c扇區do{status=PBYTE[0x07]; //讀狀態(tài)寄存器if((status  0x01)==0x01)flag_1=1; //若ERR=1，置出錯標志，做相應處理while(status!=0x58);cfwr_dat(); //寫(xiě)入數據do{status=PBYTE[0x07]; //讀狀態(tài)寄存器if((status  0x20)==0x20)flag_2=1; //若DWF=1時(shí)，置出錯標志，做相應處理while(status!=0x50);}void cfwr_comm(unsigned char lba27,lba23,la15,lba7) //寫(xiě)參數命令函數{PBYTE[0x02] 扇區數為1PBYTE[0x03]=lba7;PBYTE[0x04]=la15;PBYTE[0x05]=lba23;PBYTE[0x06]=lba27; //設定LBA方式PBYTE[0x07]=0x30; //送寫(xiě)入命令30H}void cfwr_dat() //寫(xiě)數據函數{unsigned int i,temp;unsigned char xdata dat[512]; //dat[]存放一個(gè)扇區的數據for (i=0;i512;i++) //連續寫(xiě)512字節{P1=P1  0xf8; //選中外部RAMtemp=dat[i];P1++; //根據實(shí)際電路選擇中CF卡PBYTE[0x00]=temp;}}

　　5 結論

　　筆者在濕度檢測儀中，根據本文所介紹的方法，用CF卡向計算機轉存數據，可以非常方便地對數據進(jìn)行維護。