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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(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(xiě)入，在PC機(jī)端通過(guò)讀卡器將寫(xiě)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(xiě)，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(xiě)等。 1 CF卡簡(jiǎn)介 CF卡內(nèi)集成了控制器、Flash Memory陣列和讀寫(xiě)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(jiǎn)化，而且完全符合PC機(jī)內(nèi)存卡的國(guó)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(xiě)轉(zhuǎn)化成了對(duì)控制器的訪問(wèn)，這樣不同的CF卡都可以用單一的機(jī)構(gòu)來(lái)讀寫(xiě)，而不用擔(dān)心兼容性問(wèn)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(xiě)。這種設(shè)計(jì)可以增加CF卡數(shù)據(jù)讀寫(xiě)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(wèn)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(guò)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(guò)程中，只要監(jiān)測(cè)到OE變?yōu)楦撸屯顺鯰rue 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(guò)程中，只要監(jiān)測(cè)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(xiě)，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(lái)檢測(cè)卡是否存在的引腳（CD1、CD2），由卡內(nèi)部接地。當(dāng)主機(jī)檢測(cè)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(guò)查詢(xún)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(xiě)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(jiàn)下文），增加了其擴(kuò)展性。 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(shuō)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(duì)FAT文件系統(tǒng)作一簡(jiǎn)單介紹，更詳細(xì)的內(nèi)容請(qǐng)見(jiàn)參考文獻(xiàn)。 磁盤(pán)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)%26;#215;磁頭數(shù)+磁頭號(hào)）%26;#215;扇區(qū)數(shù)+扇區(qū)數(shù)-1 采用LBA尋址方式，沒(méi)有磁頭和磁道的轉(zhuǎn)換操作，在訪問(wèn)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(jiǎn)化了對(duì)磁盤(pán)的訪問(wèn)。 硬盤(pán)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(pán)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(xiàn)、根目錄項(xiàng)數(shù)等等參數(shù)。 FAT是給每個(gè)文件分配磁盤(pán)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(mǎn)。緊跟著的3個(gè)字節(jié)是文件擴(kuò)展名，接下來(lái)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(shuō)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(xiě)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(xiě)是通過(guò)卡內(nèi)的緩沖區(qū)進(jìn)行的，不支持直接讀寫(xiě)存儲(chǔ)區(qū)域。緩沖區(qū)為一個(gè)FIFO結(jié)構(gòu)，讀寫(xiě)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(wèn)CF卡比較方便，讀寫(xiě)時(shí)只需要先在相應(yīng)的寄存器寫(xiě)入LBA地址即可。要設(shè)定LBA方式，需訪問(wèn)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(xiě) 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L(zhǎng)BA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(guò)程也就是針對(duì)FAT和FDT的讀寫(xiě)過(guò)程。首先在FDT中申請(qǐng)表項(xiàng)，創(chuàng)建文件名稱(chēng)、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(xiě)讀寫(xiě)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(xiě)入操作的命令字，寫(xiě)操作30H，讀操作20H。當(dāng)寫(xiě)入命令或?qū)懭霐?shù)據(jù)后要查詢(xún)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Α顟B(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(xiě)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(lèi)型。 下面以向CF卡寫(xiě)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(xiě)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 %26;amp; 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(xiě)入數(shù)據(jù) do{status=PBYTE[0x07]; //讀狀態(tài)寄存器 if((status %26;amp; 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(xiě)參數(shù)命令函數(shù) {PBYTE[0x02] 扇區(qū)數(shù)為1 PBYTE[0x03]=lba7; PBYTE[0x04]=la15; PBYTE[0x05]=lba23; PBYTE[0x06]=lba27; //設(shè)定LBA方式 PBYTE[0x07]=0x30; //送寫(xiě)入命令30H } void cfwr_dat() //寫(xiě)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;i<512;i++) //連續(xù)寫(xiě)512字節(jié) {P1=P1 %26;amp; 0xf8; //選中外部RAM temp=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(cè)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)。 |
