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单片机实现对CF卡的读写

时间:2012-11-24  来源:123485.com  作者:9stone

简述: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Windo

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卡结构图

        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。
CF卡与51单片机的接口

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×磁头数+磁头号)×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。
FAT表

     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。

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