单片机实现对CF卡的读写

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
摘要:CF卡是一种包含了控制和大容量Flash存储器的标准器件,具有容量大、体积小、高性能、携带方便等优点,已广泛应用在数据采集系统和许多消息类电子产品中。本文详细介绍CF卡在单片机系统中的硬件接口电路,以及单片机对CF卡进行标准文件读写的实现,且写入的文件能被Windows操作系统读写。 关键词:CF卡 单片机 FAT文件格式 引言 由于CF卡(Compact Flash Card)具有容量大、体积小、高性能、携带方便等优点,而且读写速度快,可与多种电脑操作系统平台兼容,因此在数据采集系统中的数据记录或与PC机之间的数据转存多采用CF卡。为了在PC机中能方便地进行数据处理,在下位机端必须采用一种标准的格式组织数据,即将数据按照Windows标准文件格式写入,在PC机端通过读卡器将写入CF的内容以标准文件形式读出。Windows标准文件格式有FAT、FAT32和NTFS。考虑到广泛使用的Windows 98系统的CF卡的容量等因素,通常采用FAT(File Allocation Table)文件系统。单片机系统对CF卡的读写,就是从底层对它进行直接操作,包括寻址、创建文件和读写等。 1 CF卡简介 CF卡内集成了控制器、Flash Memory阵列和读写缓冲区,如图1所示。内置的智能控制器,使外围电路设计大大简化,而且完全符合PC机内存卡的国际联合会PCMCIA(Personal Computer Memory Card International Association)和ATA(Advanced Technology Attachment)接口规范。实际上,控制器起到了一种协议转换的作用,即将对Flash Memory的读写转化成了对控制器的访问,这样不同的CF卡都可以用单一的机构来读写,而不用担心兼容性问题。CF卡的缓冲区结构,使得外部设备与CF卡通信的同时,CF卡的片内控制器可以对Flash进行读写。这种设计可以增加CF卡数据读写的可靠性,同时提高数据传输速率。 CF卡支持多种接口访问模式,有符合PCMCIA规范的Memory Mapped模式、I/O Card模式和符合ATA规范的True IDE模式。上电时,OE(9脚)为低电平,CF卡进入True IDE模式,此时引脚OE也叫ATA SEL;上电时,OE(9脚)为高电平,CF卡进入PCMCIA模式,即Memory Mapped模式或I/O Card模式,此时可通过修改配置选项寄存器进入相应的模式。 配置选项寄存器格式如下: SRESET LevelREQ conf5 conf4 conf3 conf2 conf1 conf0 SRESET—软复位信号; Level REQ—中断模式选择(电平或边沿触发)。 例如,要加入Memory mapped模式,只需要在上电时保证OE为高电平,因为配置选项寄存器的conf5~conf0位的初始化值为“00000”;而要进入I/O Card模式,除了上电时保证OE为高电平外,还要进一步设置conf5~conf0,如表1所列。但是对于具体型号的CF卡而言,下面三种情况也是被CFA(CF card Association)所允许的:①上电时进入True IDE模式,工作过程中,只要监测到OE变为高,就退出True IDE模式;②允许卡在复位时重新配置;③上电时进入PCMCIA模式,允许过程中,只要监测到OE变为低,就进入True IDE模式。 表1 模式选择 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,对应16位系统 0 0 0 0 1 0 I/O,对应1F0h-1F7h/3F6h-3F3h 0 0 0 0 1 1 I/O,对应170h-177h/376h-377h 2 CF卡与51单片机的接口 CF卡在PC Memory方式与51芯片的接口电路如图2所示。由于采用CF卡上电后自动进入的Memory模式,而且不存在对特性寄存器的读写,故可将REG接高电平。片选信号CE1和CE2组合可选择数据位宽度,如表2所列。图2中CE2接VCC,选用的是8位(D7~D0)数据宽度。 表2 数据宽度选择   8位(D7~D0) 8位(D15~D8) 16位 高 阻 CE1 0 1 0 1 CE2 1 0 0 1 为了实现即插即用的功能,CE卡上提供了两个用来检测卡是否存在的引脚(CD1、CD2),由卡内部接地。当主机检测到与其相连的CD1和CD2两个引脚同时为低电平时,可判断出卡与主机相连;否则,卡未与主机相连。 由于I/O口紧张,RDY/BSY引脚悬空不用,通过查询状态寄存器能判断CF卡是否准备就绪。在实际应用中,由于一次至少要读写一个扇区512字节,所以要扩充一块RAM。我们选用的是62256,容量为32KB,这样便可以支持大到2GB的CF卡(参见下文),增加了其扩展性。 3 FAT文件系统 FAT文件系统是基于DOS的文件系统。常说的FAT有12位的FAT12和16位的FAT16,另外就是32位的FAT32。考虑到CF卡的容量有限,宜选用FAT16。这里只对FAT文件系统作一简单介绍,更详细的内容请见参考文献。 磁盘的寻址方式有两种:物理寻址C/H/S(柱面/磁头/扇区)方式和逻辑块LBA(Logical Block Addressing)寻址方式。二者之间的转换关系为: LBA地址=(柱面号%26;#215;磁头数+磁头号)%26;#215;扇区数+扇区数-1 采用LBA寻址方式,没有磁头和磁道的转换操作,在访问连续的扇区时,操作速度比物理寻址方式要快,而且也简化了对磁盘的访问。 硬盘的结构布局分为MBR(主引导扇区)和最多4个逻辑分区(含DOS分区或非DOS分区),而在DOS逻辑分区中的磁盘组织如下: 引导扇区 FAT1 FAT2 根目标区 数据区 引导扇区DBR(DOS Boot Record):位于LBA 0扇区,包含跳转指令、厂商标识和DOS版本号、BPB(BIOS Parameter Block,BIOS参数块)、DOS引导程序、结束标志字AA55。其中BPB包含每扇区字节数、每簇扇区数、每个FAT扇区数、扇区总线、根目录项数等等参数。 FAT是给每个文件分配磁盘物理空间的表格。FAT16簇数的上限是2 16,即65536个,每簇扇区数的上限是64个,因此其分区空间的上限为2G。FAT1位于逻辑1扇区。FAT簇映射中,0000表示空簇,FFF0~FFF6备用,FFF8~FFFF表示簇链结束,FFF7表示坏簇,其余值表示其后续簇的簇号。图3所示的文件起始簇号为2,结束簇号为4,共占用2、3、4三个簇。 簇是存储文件的最小单位,可以包含多个扇区。当文件本身或文件的最后一簇哪怕只有1个字节,也要占去1簇。这样,当这种文件很多时,空间的浪费是很可观的。 文件目录表FDT(File Directory Table)是操作系统寻找文件的入口,其内容是每一个文件的目录。FDT中的每一个目录项由32个字节组成。前8个字节是文件名,不足时用空格填满。紧跟着的3个字节是文件扩展名,接下来是10个字节的系统保留字。然后是文件产生的时刻和日期占8个字节,再后的2个字节是文件首簇号,最后4个字节是文件大小。FDT的起始扇区可由FAT的大小计算出,而FAT的大小可在DBR中读出。 4 软件实现 按照FAT16方式存储文件,是一个通用的解决方案。因为这样可以得到现有的DOS和Windows系统的支持,但是代价是浪费一部分空间,也就是说存储效率下降了。为了改善这一情况,采用了改进的存储方法。就是先创建一个空文件,并根据需要为其分配一个大的存储空间,写入动作只是从尾部追加数据。这样就避免了很多小文件的产生,既可以充分利用存储空间,又可以使地址连续。 CF卡的读写是通过卡内的缓冲区进行的,不支持直接读写存储区域。缓冲区为一个FIFO结构,读写顺序进行,不支持随机存取,系统只能一次性地按顺序读完或写完所有一个或多个扇区。 设计时使用LBA方式访问CF卡比较方便,读写时只需要先在相应的寄存器写入LBA地址即可。要设定LBA方式,需访问驱动器/磁头寄存器。内存模式下部分寄存器译码如表3所列。 表3 内存模式下部分寄存器译码 REG A10 A9~A4 A3~A0 offset OE=0 WE=0 1 0 X 0000 0 偶字节读 侧字节写 1 0 X 0001 1 错误寄存器 特性寄存器 1 0 X 0010 2 扇区数 扇区数 1 0 X 0011 3 扇区号(LBA7~0) 扇区号(LBA7~0) 1 0 X 0100 4 低柱面号(LBA15~8) 低柱面号(LBA15~8) 1 0 X 0101 5 高柱面号(LBA23~16 高柱面号(LBA23~16) 1 0 X 0110 6 驱动器/磁头(LBA27~24) 驱动器/磁头(LBA27~24) 1 0 X 0111 7 状态寄存器 命令寄存器 驱动器/磁头寄存器结构如下: 1 LBA 1 DRV HS3 HS2 HS1 HS0 LBA—1为LBA方式,0为C/H/S(柱面/磁头/扇区)方式;DRV—选择驱动器0或驱动器1;HS3~HS0—LBA27~24,或为C/H/S方式的磁头号。 文件创建过程也就是针对FAT和FDT的读写过程。首先在FDT中申请表项,创建文件名称、属性、起始簇号、文件大小等,然后修改FAT,分配数据空间,备份FAT。文件存储就是要先从FDT和FAT中获得文件的起始簇号和簇号链,即LBA地址。然后,将此地址送给寄存器3、4、5、6(表3中的offset3、4、5、6),向扇区数寄存器填写读写数据所占的扇区个数,再向CF卡的命令寄存器写入操作的命令字,写操作30H,读操作20H。当写入命令或写入数据后要查询状态寄存器的状态,以判定CF卡是否准备就绪或写入成功。状态寄存器结构如下: BUSY RDY DWF DSC DRQ CORR 0 ERR 各位的值为1时含义如下: BUSY—CF卡记,此时不能接受其它命令; RDY—卡可以接受命令; DWF—写错误; DSC—卡准备就绪; DRQ—CF卡请求数据传送; CORR—数据错误但被修正,不会终止多扇区读操作; ERR—在上一命令以某种错误结束,可以在错误寄存器中查看错误类型。 下面以向CF卡写一个扇区数据为例,给出图4所示流程和C程序代码。 bit flag_1,flag_2; void cfwr() { unsigned char status; cfwr_comm(0xe0,0x00,0x00,0x6c); //写参数命令,指向逻辑6c扇区 do{status=PBYTE[0x07]; //读状态寄存器 if((status %26;amp; 0x01)==0x01) flag_1=1; //若ERR=1,置出错标志,做相应处理 while(status!=0x58); cfwr_dat(); //写入数据 do{status=PBYTE[0x07]; //读状态寄存器 if((status %26;amp; 0x20)==0x20) flag_2=1; //若DWF=1时,置出错标志,做相应处理 while(status!=0x50); } void cfwr_comm(unsigned char lba27,lba23,la15,lba7) //写参数命令函数 {PBYTE[0x02] 扇区数为1 PBYTE[0x03]=lba7; PBYTE[0x04]=la15; PBYTE[0x05]=lba23; PBYTE[0x06]=lba27; //设定LBA方式 PBYTE[0x07]=0x30; //送写入命令30H } void cfwr_dat() //写数据函数 {unsigned int i,temp; unsigned char xdata dat[512]; //dat[]存放一个扇区的数据 for (i=0;i<512;i++) //连续写512字节 {P1=P1 %26;amp; 0xf8; //选中外部RAM temp=dat[i]; P1++; //根据实际电路选择中CF卡 PBYTE[0x00]=temp;} } 5 结论 笔者在湿度检测仪中,根据本文所介绍的方法,用CF卡向计算机转存数据,可以非常方便地对数据进行维护。
编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/mcu/200703/11163.html
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