單片機與MMC卡的接口

        多媒體卡MMC(MultiMedia Card)是由美國SanDisk公司和德國Simens公司于1997年共同開(kāi)發(fā)推出的一種多功能存儲卡。內置控制電路，可以使用在手機、數碼相機、MP3、PDA等多種數字設備上，可反復記錄30萬(wàn)次?，F在市場(chǎng)上的主流容量有128 MB～2 GB。   

        文中首先介紹單片機對SPI協(xié)議下的MMC卡的底層讀寫(xiě)操作，然后分析MMC卡文件系統的結構，最后詳細說(shuō)明MMC卡文件的創(chuàng )建、讀寫(xiě)、刪除等操作。該方法可應用到與Windows有交互的嵌入式系統中，便于文件的統一管理。

       1 單片機與MMC卡的接口

       1.1 單片機與MMC卡的接口電路   

       接口電路采用的是Philips公司的增強型LPC93x系列單片機。它除了比普通的8051有更快的指令執行周期外，還提供多種在片的硬件接口功能，如UART、SPI、I2C等，因此用LPC93x的SPI接口實(shí)現單片機與MMC卡的互連。   

       MMC卡有7個(gè)引腳，支持兩種串行數據傳輸協(xié)議，即MMC(Multimedia Card)模式和SPI(Serial PeripheralInterface)模式。在SPI模式中，通過(guò)4條信號線(xiàn)完成數據的傳輸。這4條信號線(xiàn)分別是時(shí)鐘SPICLK、數據輸入MISO、數據輸出MOSI和片選SS#。   

        LPC93x單片機與MMC卡的接口電路如圖1所示。

 
       1.2 MMC卡底層讀寫(xiě)原理

        MMC卡讀寫(xiě)操作都是基于命令的，通過(guò)向MMC卡發(fā)送樞直的命令并讀取樞直的響應來(lái)實(shí)現對MMC卡的控制。在對MMC卡讀寫(xiě)之前，首先要進(jìn)行初始化操作。這是確保MMC卡能在SPI模式下進(jìn)行正常數據讀寫(xiě)的前提。需要注意的是，在發(fā)送使MMC卡空閑命令CMD0之前至少等待74個(gè)時(shí)鐘，確保MMC卡進(jìn)入SPI模式。

        初始化完成之后，如果使用默認的塊讀寫(xiě)長(cháng)度(512字節)，就可進(jìn)行MMC卡的讀寫(xiě)。當然，也可用CMD16來(lái)設置。MMC卡的塊讀取長(cháng)度，可以是1～512字節之間的任意值。但是對MMC的寫(xiě)過(guò)程則要求塊長(cháng)度必須為512字節。無(wú)論是MMC卡的讀還是寫(xiě)，都要求在讀寫(xiě)命令發(fā)送后有數據起始令牌FEH，數據傳輸結束之后有2個(gè)字節的循環(huán)冗余編碼CRC(Cyclic Redundancy Codes)。

        2 MMC卡文件系統的結構分析   

       要使寫(xiě)入MMC卡的數據在Windows下訪(fǎng)問(wèn)，需要在MMC卡上創(chuàng )建Windows支持的FATl6文件系統。MMC卡上的FATl6文件系統的結構包含分區引導記錄、文件分配表、文件目錄表以及數據區4個(gè)部分。   

      分區引導記錄通常包含4塊內容；
      ①BIOS參數記錄塊BPB(BIPS Parameter Block)；
      ②磁盤(pán)標志記錄表；
      ③分區引導記錄代碼區；
      ④結束標志55AA。   

       BPB表從扇區字節位移0bH開(kāi)始，共占25字節。表1是從MMC卡的首扇區中讀出的BPB表的內容。

       在分區引導記錄之后是FAT(File Allocation Table，文件分配表)區。FATl6的文件系統中有兩份完全相同的文件分配表FAT1和FAT2，每份FAT表占用空間的大小可從BPB表中查得。
   
       文件在磁盤(pán)上以簇為單位存儲，但是同一個(gè)文件的數據并不一定完整地存放在磁盤(pán)的一個(gè)連續的區域內，往往會(huì )分成若干簇，FAT表就是記錄文件存儲中簇與簇之問(wèn)連接信息的，這就是文件的鏈式存儲。FATl6以2個(gè)字節(即16位)表示1個(gè)簇，起始2個(gè)字為F8FFH、FFFFH，后面的FFFFH表示終止，0000H表示未使用。
   
       緊接在FAT表之后的是文件目錄表FDT，固定占32個(gè)扇區，每個(gè)扇區可以容納16個(gè)登記項，每個(gè)登記項的長(cháng)度是32字節。   

        文件目錄表之后就是數據區DATA，用來(lái)存放文件數據，占用大部分的磁盤(pán)空間。

       3 MMC卡文件系統的實(shí)現
   
        單片機對MMC底層的讀寫(xiě)，按照FAT16的格式對MMC卡上數據進(jìn)行操作，就可在MMC卡上創(chuàng )建文件、讀寫(xiě)文件和刪除文件等，從而實(shí)現文件的管理。3.1 文件(或目錄)的創(chuàng )建     在MMC卡上創(chuàng )建文件(或目錄)的過(guò)程就是在文件目錄表FDT中申請登記項的過(guò)程。登記項中包括文件名、文件長(cháng)度和起始簇號等內容。為此定義了如下結構： 
     代碼
typedef struct{   
  u8 FileName[8]; //文件名，不足8字節用空格補充   
  u8 ExtName[3]; //擴展名   
  u8 attribute; //屬性，典型值:存檔(0x20)、卷標(0x08)   
  u8 reserved[10]; //保留   
  u16 time; //time=Hr*2048+Min*32+Sec+2   
  u16 date; //date=(Yr-1980)*512+Mon*32+Day   
  u16 StartCluster; //起始簇號   
  u32 FileLength; //文件長(cháng)度   
}DIR_tag;  

        文件名一般占用8字節，長(cháng)的文件名需要用resetx,ed[]數組。文件名的首字節又表明該文件的狀態(tài)，00H表示該目錄項未使用，E5H表示該文件(或目錄)已被刪除。創(chuàng )建目錄時(shí)，屬性值設置為10H(表示子目錄)，文件長(cháng)度為0。

      3.2 文件的讀寫(xiě)
   
        MMC卡上文件都是以簇為單位存取的。當讀取MMC卡上的文件時(shí)，首先要根據文件名查找到該文件的目錄登記項。根據目錄登記項中的起始簇號既可找到文件在數據區DATA中第1簇的內容，又可在FAT表中找到第2個(gè)簇號。根據第2個(gè)簇號又能找到第2簇的內容和FAT表中的第3個(gè)簇號。這樣，就可以根據FAT表中的簇號讀取到全部文件數據。寫(xiě)文件時(shí)要保證FAT1和FAT2中內容的一致性，即對兩塊都要進(jìn)行同樣的寫(xiě)操作。對于FATl6，可以由下面的公式計算出數據起始邏輯扇區號：   

       起始邏輯扇區=隱藏扇區數+1+2*每FAT扇區數+FDT扇區數+(起始簇號-2)*每簇扇區數 

       從表1可知，MMC卡上隱藏的扇區數為0，每個(gè)FAT占用243個(gè)扇區，FDT固定占用32個(gè)扇區。寫(xiě)文件的相關(guān)代碼如下(設文件長(cháng)度小于512字節)：
  
       代碼
void file_write(DIR_tag  *file_tag,char *data){   
    //data為指向數據的指針   
    u16  j,offset=file_tag.StartCluster*2;   
    //FAT16用16位表示1個(gè)簇   
    mmc_read block(&sdc,fat1_addr+offset/512,mmc_buffer);    //讀取起始簇號所在的塊   
    mmc_buffer[offset%512]=0xff;//文件結束標志ff ff   
    mme_buffer[offset%512+1]=0xff;   
    mmc_write_block(&sdc,fat1_addr+offset/512,mmc_buffer);    //寫(xiě)FAT1   
  mmc_write_block(&sdc,fat2_addr+offset/512,mmc_buffer);    //寫(xiě)FAT2,與FAT1同   
  for(j=0,j   mmc_write_block(&sdc,519+(file_tag.StartCluster-2),mmc_buffer);    //寫(xiě)入數據   
}  

       3.3 文件的刪除   

        文件的刪除也是對MMC卡上文件管理的一個(gè)重要方面。刪除文件時(shí)，并不涉及數據區的操作，只須在文件的目錄登記項上作一個(gè)刪除標記，并把文件在FAT表中所占用的簇標記為“空簇”。刪除文件的代碼如下：

     4 小結   

       通過(guò)對SPI模式下MMC卡讀寫(xiě)和文件系統的研究，實(shí)現了單片機對MMC卡FAT16文件的管理，包括文件的創(chuàng )建、讀寫(xiě)、刪除等操作。該方法為數據采集系統提供了一種非易失性存儲器的解決方案，采集到的數據會(huì )以標準文件的格式記錄到MMC卡上，數據文件可在Windows下用讀卡器讀取，在保證高性?xún)r(jià)比的同時(shí)，又方便了數據的進(jìn)一步分析、處理。通過(guò)在長(cháng)時(shí)間心電圖監測系統中的實(shí)際應用，證明了該方法的可行性。該方案也可應用到諸如MP3等與Windows有交互的移動(dòng)存儲設備中，便于文件的統一管理。   

        系統采用SPI接口，占用較少的I/O資源。由于SD卡也支持SPI模式，故文中的MMC卡也可以用SD卡替代。