单片机实现对CF卡的读写

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—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

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

       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。

     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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