单片机实现对CF卡的读写

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。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。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。

簇是存储文件的单位，可以包含多个扇区。当文件本身或文件的一簇哪怕只有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，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 & 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 & 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 & 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。

  

参考文献:

[1]. CFA datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CFA_2327767.html.
[2]. D15 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/D15_1092218.html.