51單片機(jī)如何實(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn),而且讀寫速度快,可與多種電腦操作系統(tǒng)平臺(tái)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(jī)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存多采用CF卡。為了在PC機(jī)中能方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,在下位機(jī)端必須采用一種標(biāo)準(zhǔn)的格式組織數(shù)據(jù),即將數(shù)據(jù)按照Windows標(biāo)準(zhǔn)文件格式寫入,在PC機(jī)端通過讀卡器將寫入CF的內(nèi)容以標(biāo)準(zhǔn)文件形式讀出。Windows標(biāo)準(zhǔn)文件格式有FAT、FAT32和NTFS。考慮到廣泛使用的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(jī)系統(tǒng)對(duì)CF卡的讀寫,就是從底層對(duì)它進(jìn)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(jì)大大簡化,而且完全符合PC機(jī)內(nèi)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(guī)范。實(shí)際上,控制器起到了一種協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用,即將對(duì)Flash Memory的讀寫轉(zhuǎn)化成了對(duì)控制器的訪問,這樣不同的CF卡都可以用單一的機(jī)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(shí),CF卡的片內(nèi)控制器可以對(duì)Flash進(jìn)行讀寫。這種設(shè)計(jì)可以增加CF卡數(shù)據(jù)讀寫的可靠性,同時(shí)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(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)可通過修改配置選項(xiàng)寄存器進(jìn)入相應(yīng)的模式。
配置選項(xiàng)寄存器格式如下:
SRESET | LevelREQ | conf5 | conf4 | conf3 | conf2 | conf1 | conf0 |
SRESET—軟復(fù)位信號(hào);
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?yàn)榕渲眠x項(xiàng)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(shè)置conf5~conf0,如表1所列。但是對(duì)于具體型號(hào)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(shí)重新配置;③上電時(shí)進(jìn)入PCMCIA模式,允許過程中,只要監(jiān)測到OE變?yōu)榈停瓦M(jìn)入True IDE模式。
表1 模式選擇
conf5 | conf4 | conf3 | conf2 | conf1 | conf0 | 模 式 |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | Memory map |
0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | I/O Mapped,對(duì)應(yīng)16位系統(tǒng) |
0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | I/O,對(duì)應(yīng)1F0h-1F7h/3F6h-3F3h |
0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | I/O,對(duì)應(yīng)170h-177h/376h-377h |
2 CF卡與51單片機(jī)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(duì)特性寄存器的讀寫,故可將REG接高電平。片選信號(hào)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
8位(D7~D0) | 8位(D15~D8) | 16位 | 高 阻 | |
CE1 | 0 | 1 | 0 | 1 |
CE2 | 1 | 0 | 0 | 1 |
為了實(shí)現(xiàn)即插即用的功能,CE卡上提供了兩個(gè)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(jī)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(jī)相連;否則,卡未與主機(jī)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(zhǔn)備就緒。在實(shí)際應(yīng)用中,由于一次至少要讀寫一個(gè)扇區(qū)512字節(jié),所以要擴(kuò)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(kuò)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??紤]到CF卡的容量有限,宜選用FAT16。這里只對(duì)FAT文件系統(tǒng)作一簡單介紹,更詳細(xì)的內(nèi)容請(qǐng)見參考文獻(xiàn)。
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(hào)×磁頭數(shù)+磁頭號(hào))×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(shí),操作速度比物理尋址方式要快,而且也簡化了對(duì)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(gè)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) | FAT1 | FAT2 | 根目標(biāo)區(qū) | 數(shù)據(jù)區(qū) |
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(shí)和DOS版本號(hào)、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(gè)FAT扇區(qū)數(shù)、扇區(qū)總線、根目錄項(xiàng)數(shù)等等參數(shù)。
FAT是給每個(gè)文件分配磁盤物理空間的表格。FAT16簇?cái)?shù)的上限是2 16,即65536個(gè),每簇扇區(qū)數(shù)的上限是64個(gè),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(hào)。圖3所示的文件起始簇號(hào)為2,結(jié)束簇號(hào)為4,共占用2、3、4三個(gè)簇。
簇是存儲(chǔ)文件的最小單位,可以包含多個(gè)扇區(qū)。當(dāng)文件本身或文件的最后一簇哪怕只有1個(gè)字節(jié),也要占去1簇。這樣,當(dāng)這種文件很多時(shí),空間的浪費(fèi)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(gè)文件的目錄。FDT中的每一個(gè)目錄項(xiàng)由32個(gè)字節(jié)組成。前8個(gè)字節(jié)是文件名,不足時(shí)用空格填滿。緊跟著的3個(gè)字節(jié)是文件擴(kuò)展名,接下來是10個(gè)字節(jié)的系統(tǒng)保留字。然后是文件產(chǎn)生的時(shí)刻和日期占8個(gè)字節(jié),再后的2個(gè)字節(jié)是文件首簇號(hào),最后4個(gè)字節(jié)是文件大小。FDT的起始扇區(qū)可由FAT的大小計(jì)算出,而FAT的大小可在DBR中讀出。
4 軟件實(shí)現(xiàn)
按照FAT16方式存儲(chǔ)文件,是一個(gè)通用的解決方案。因?yàn)檫@樣可以得到現(xiàn)有的DOS和Windows系統(tǒng)的支持,但是代價(jià)是浪費(fèi)一部分空間,也就是說存儲(chǔ)效率下降了。為了改善這一情況,采用了改進(jìn)的存儲(chǔ)方法。就是先創(chuàng)建一個(gè)空文件,并根據(jù)需要為其分配一個(gè)大的存儲(chǔ)空間,寫入動(dòng)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(chǔ)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(jìn)行的,不支持直接讀寫存儲(chǔ)區(qū)域。緩沖區(qū)為一個(gè)FIFO結(jié)構(gòu),讀寫順序進(jìn)行,不支持隨機(jī)存取,系統(tǒng)只能一次性地按順序讀完或?qū)懲晁幸粋€(gè)或多個(gè)扇區(qū)。
設(shè)計(jì)時(shí)使用LBA方式訪問CF卡比較方便,讀寫時(shí)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(dòng)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
REG | A10 | A9~A4 | A3~A0 | offset | OE=0 | WE=0 |
1 | 0 | X | 0000 | 0 | 偶字節(jié)讀 | 側(cè)字節(jié)寫 |
1 | 0 | X | 0001 | 1 | 錯(cuò)誤寄存器 | 特性寄存器 |
1 | 0 | X | 0010 | 2 | 扇區(qū)數(shù) | 扇區(qū)數(shù) |
1 | 0 | X | 0011 | 3 | 扇區(qū)號(hào)(LBA7~0) | 扇區(qū)號(hào)(LBA7~0) |
1 | 0 | X | 0100 | 4 | 低柱面號(hào)(LBA15~8) | 低柱面號(hào)(LBA15~8) |
1 | 0 | X | 0101 | 5 | 高柱面號(hào)(LBA23~16 | 高柱面號(hào)(LBA23~16) |
1 | 0 | X | 0110 | 6 | 驅(qū)動(dòng)器/磁頭(LBA27~24) | 驅(qū)動(dòng)器/磁頭(LBA27~24) |
1 | 0 | X | 0111 | 7 | 狀態(tài)寄存器 | 命令寄存器 |
驅(qū)動(dòng)器/磁頭寄存器結(jié)構(gòu)如下:
1 | LBA | 1 | DRV | HS3 | HS2 | HS1 | HS0 |
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(dòng)器0或驅(qū)動(dòng)器1;HS3~HS0—LBA27~24,或?yàn)镃/H/S方式的磁頭號(hào)。
文件創(chuàng)建過程也就是針對(duì)FAT和FDT的讀寫過程。首先在FDT中申請(qǐng)表項(xiàng),創(chuàng)建文件名稱、屬性、起始簇號(hào)、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(chǔ)就是要先從FDT和FAT中獲得文件的起始簇號(hào)和簇號(hào)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(gè)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(zhǔn)備就緒或?qū)懭氤晒?。狀態(tài)寄存器結(jié)構(gòu)如下:
BUSY | RDY | DWF | DSC | DRQ | CORR | 0 | ERR |
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—寫錯(cuò)誤;
DSC—卡準(zhǔn)備就緒;
DRQ—CF卡請(qǐng)求數(shù)據(jù)傳送;
CORR—數(shù)據(jù)錯(cuò)誤但被修正,不會(huì)終止多扇區(qū)讀操作;
ERR—在上一命令以某種錯(cuò)誤結(jié)束,可以在錯(cuò)誤寄存器中查看錯(cuò)誤類型。
下面以向CF卡寫一個(gè)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(cuò)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(shí),置出錯(cuò)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(gè)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(shí)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(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù),可以非常方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)。
評(píng)論