《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于C8051F020的CF卡文件存儲

2009-10-10
作者:楊榮騫 陸堯勝

  摘? 要: C8051F020是一種混合信號ISP Flash微控制器,采用數(shù)據(jù)和地址總線非復(fù)用方式。而CF卡工作于8位存儲器模式下由C8051F020控制其操作,且其文件系統(tǒng)采用FAT形式。本文詳細地介紹了FAT形式下引導(dǎo)區(qū)、FAT區(qū)、根目錄區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)相關(guān)的一些計算,以及在CF卡中的文件存儲過程。

  關(guān)鍵詞: C8051F020? CF卡? FAT? 文件存儲

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  隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展,移動存儲設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用。其中CF(Compact Flash)卡誕生于1994年,是最早推出的閃存卡,在眾多產(chǎn)品中其普及率也最高。由于CF卡具有價格低廉、體積小、存儲容量大、高速等特點,因此被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼相機、PDA和筆記本電腦等當前十分熱門的消費類電子產(chǎn)品中。CF卡在其他領(lǐng)域中也得到了廣泛的應(yīng)用。如本文所述內(nèi)容就是將CF卡應(yīng)用于動態(tài)腦電圖系統(tǒng)中存儲腦電信號。

由于CF卡中存儲的腦電圖信號要能夠從PC機上讀取出來,所以必須把腦電圖信號以相應(yīng)的文件格式存儲。下面將介紹采用C8051F020微控制器控制CF卡的文件存儲,并詳細地介紹其軟、硬件的設(shè)計。

1?C8051F020與CF卡的接口電路

  C8051F020是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU芯片,使用了Cygnal專利的高速、流水線結(jié)構(gòu)以及與MCS-51指令集完全兼容的CIP-51微處理器內(nèi)核,具有64條數(shù)字I/O引腳,片內(nèi)有64KB可在系統(tǒng)編程的Flash存儲器,有4 352B的片內(nèi)RAM,片內(nèi)有看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等;片內(nèi)的JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式、全速、在系統(tǒng)調(diào)試;其MCU都可在工業(yè)溫度范圍(-45℃~+85℃)內(nèi)用2.7~3.6V的電壓工作;端口I/O、和JTAG引腳都兼容5V的輸入信號電壓。C8051F020其他功能可參考文獻[1]。

  CF卡有3種工作模式可供選擇:I/O模式、存儲器模式和IDE模式[2]。CF卡的默認模式是存儲器模式,使用也最為普遍。如果使用存儲器模式則不需要配置任何寄存器。每一種模式的電路連接各不相同。在I/O模式和存儲器模式下,可以采用8位的訪問方式,也可以采用16位的訪問方式。本文所采用的是8位的存儲器模式,其接口電路如圖1所示。

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  C8051F020的外部數(shù)據(jù)存儲器接口(EMIF)可用于訪問片外存儲器和存儲器映射的I/O器件。若設(shè)置EMIF的配置寄存器EMI0CF的PRTSEL位為‘1’,可使EMIF位于端口7、6、5、4;設(shè)置EMD2位為‘1’,可使EMIF工作于非復(fù)用方式;設(shè)置EMD1~0為‘01’,可使EMIF工作于不帶塊選擇的分片方式。這樣P7口就為數(shù)據(jù)線D0~D7,P6口為A0~A7,P5口為A8~A15,P4.6、P4.7分別為讀()、寫()線。

  由于C8051F020是8位的單片機,所以對CF卡的訪問采用8位的方式較為方便。通過把-CE2設(shè)為‘1’即可通過訪問CF卡的D0~D7來存取數(shù)據(jù)。而-CE1可以作為CF卡的片選信號,通過設(shè)-CE1為‘0’來選通CF卡,即-CE1接C8051F020的高位地址P5.7來線選CF卡。當CF卡插入其插座時,CD1和CD2都連接到地(GND);C8051F020的P1.1、P1.2分別連到CD1和CD2,并可以通過檢測P1.1和P1.2來判斷CF卡是否插入CF卡插座。CF卡工作于存儲器模式下,-OE和-WE分別接C8051F020的讀(P1.6)、寫(P1.7)線。當REG為‘0’時,訪問CF卡的屬性寄存器;REG為‘1’時,CF卡在存儲器模式下對數(shù)據(jù)進行讀寫操作。

2?C8051F020對CF卡的數(shù)據(jù)讀寫

  圖1所示電路的CF卡在存儲器模式下有關(guān)數(shù)據(jù)讀寫的一些寄存器地址如表1所示。

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  CF卡1個扇區(qū)為512B,這些數(shù)據(jù)都是從表1中的第0個寄存器中讀出,而且每次讀寫數(shù)據(jù)最小為1個扇區(qū),但也可以設(shè)置從第2個寄存器中讀出,1次讀寫幾個扇區(qū)。

  C8051F020對CF卡讀扇區(qū)數(shù)據(jù)的過程是:首先讀取第7個寄存器的狀態(tài)字,如果為50H表示沒有錯誤,并且CF卡已經(jīng)準備好;然后再分別向第2、3、4、5、6個寄存器寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)指定需要讀寫的扇區(qū);最后向第7個寄存器寫20H或21H,讀取狀態(tài)字為58H后讀取數(shù)據(jù),其流程如圖2所示。

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  C8051F020對CF卡向指定扇區(qū)寫數(shù)據(jù)的命令是30H或31H,其操作亦與讀數(shù)據(jù)相似,只不過在寫入數(shù)據(jù)后要等到CF卡中數(shù)據(jù)穩(wěn)定并進入空閑狀態(tài)才能結(jié)束這一過程。

  在CF卡讀寫時,分別向第2、3、4、5、6個寄存器寫入CF卡需要訪問的扇區(qū)位置,其寫入模式有2種:即CHS(Cylinder/Head/Sector)模式和LBA(Logical Block Address)模式。通過設(shè)置第6個寄存器的第6位LBA確定其模式:即如果LBA=0,則為CHS模式;如果LBA=1,則為LBA模式。

  由CHS模式到LBA模式的轉(zhuǎn)換如下:

  

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  其中LBA是邏輯塊地址,Cn是柱面號,HpC是每個柱面的磁頭數(shù),Hn是磁頭數(shù),Sn是扇區(qū)號,SpH是每個磁頭(簇)的扇區(qū)數(shù)。

3??CF卡的文件存儲

  FAT(File Allocation Table)文件系統(tǒng)產(chǎn)生于20世紀70年代末到80年代初,是微軟的MS-DOS操作系統(tǒng)所支持的文件系統(tǒng)。目前FAT文件系統(tǒng)有3種類型:FAT12、FAT16和FAT32。它們的不同是在磁盤上實際的FAT結(jié)構(gòu)中每個記錄(Entry)所占的位數(shù)不同。FAT12占12位(1.5字節(jié)),F(xiàn)AT16占16位(2字節(jié)),F(xiàn)AT32占32位(4字節(jié))。每一個記錄中的數(shù)據(jù)都按照低字節(jié)在前、高字節(jié)在后排列。

  在CF卡格式化時,首先要了解CF卡的容量等一系列信息。通過對CF卡寫入命令ECH就可以讀出1個扇區(qū),其中包含了該CF卡的一些參數(shù)的信息,如容量、默認的柱面數(shù)、默認的磁頭數(shù)、每個扇區(qū)的字節(jié)數(shù)、每個磁道的扇區(qū)數(shù)和CF卡上總的扇區(qū)數(shù)等。這為格式化CF卡提供了重要的數(shù)據(jù)。

  在格式化后的CF卡中,F(xiàn)AT文件系統(tǒng)由如下4部分組成:

  0區(qū):保留區(qū)(引導(dǎo)區(qū))。

  1區(qū):FAT區(qū)。

  2區(qū):根目錄區(qū)(FAT32中存在的是浮動的FDT表)。

  3區(qū):文件、目錄與數(shù)據(jù)區(qū)(下面簡稱數(shù)據(jù)區(qū))。

  引導(dǎo)區(qū)中包含了整個FAT文件系統(tǒng)的重要信息,即BPB(BIOS Parameter Block)。下面為BPB的幾個重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

  typedef struct FAT

{

  unsigned short BytsPerSec;//每個扇區(qū)所包含的字節(jié)數(shù)

  unsigned char SecPerClus;//每一簇所包含的扇區(qū)數(shù)

  unsigned short RsvdSecCnt;//保留區(qū)所占用的扇區(qū)數(shù)

  unsigned char NumFATs;//FAT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的個數(shù)

  unsigned short RootEntCnt;//在FAT12和FAT16格式

                //下,根目錄中32位目錄的個數(shù)

  unsigned short TotSec16;//16位表示的總扇區(qū)數(shù)

  unsigned short FATSz16;//1個FAT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所

              //占用的扇區(qū)數(shù)

  unsigned short SecPerTrk;//每一磁道中所包含的扇區(qū)數(shù)

  unsigned short NumHeads;//每一磁道中所包含的磁頭數(shù)

  unsigned long? TotSec32;//32位表示的總扇區(qū)數(shù)

} BPB;

  根據(jù)上面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以計算根目錄、數(shù)據(jù)區(qū)等在CF卡中的位置。

在根目錄區(qū)中,每一個目錄或文件的記錄占32個字節(jié)。根據(jù)FAT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),可以計算出根目錄占用的扇區(qū)數(shù):

  RootDirSec=((BPB.RootEntCnt*32)+(BPB.BytsPer-Sec-1))/BPB.BytsPerSec????(3)

  在FAT32格式下,BPB.RootEntCnt為‘0’,因此RootDirSec總是為‘0’。

  如果BPB.FATSz16不為‘0’,就可以根據(jù)下面公式計算數(shù)據(jù)區(qū)的第一個扇區(qū)地址。

  FirstDataSec=BPB.ResvdSecCnt+(BPB.NumFATs*BPB.FATSz16)+RootDirSec????? (4)

  因此數(shù)據(jù)區(qū)所占用的扇區(qū)數(shù):

  DataSec=BPB.TotSec16-FirstDataSec                   (5)

  根目錄的第一個扇區(qū)地址(在FAT12、FAT16下):

  FirstRootDirSec=BPB.ResvdSecCnt+(BPB.NumFATs*BPB.FATSz16)

  如果BPB.FATSz16為‘0’,則BPB.FATSz32一定不為‘0’,則有:

  FirstDataSec=BPB.ResvdSecCnt+(BPB.NumFATs*BPB.FATSz32)+RootDirSec????? (6)

  DataSec=BPB.TotSec32-FirstDataSec?????                 (7)

  FirstRootDirSec=BPB.ResvdSecCnt+(BPB.NumFATs*BPB.FATSz32)?????     (8)

  如果CF卡有多個分區(qū),則(3)~(8)式計算出的參數(shù)只是相對當前分區(qū)而言的,且數(shù)據(jù)區(qū)所占用的簇數(shù)為:

  CntofClus=DataSec/BPB.SecPerClus?????                  (9)

  在格式化CF卡時,根據(jù)CF卡容量的大小決定FAT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的一些參數(shù),再由式(9)算出數(shù)據(jù)區(qū)總的簇數(shù),并根據(jù)總簇數(shù)的大小確定FAT形式。一般來說,如果CntofClus<4 084簇,則可以格式化成FAT12的形式;如果≥4 084簇而<65 524簇,則可以格式化成FAT16的形式;如果≥65 524簇,則格式化成FAT32的形式。

若給定一個簇的序號N(N≥2),則在數(shù)據(jù)區(qū)對應(yīng)該簇的第一個扇區(qū)序號為:

??? FirstSecofClus=((N-2)*BPB.SecPerClus)+FirstDataSec          (10)

  式(10)表示了FAT與數(shù)據(jù)區(qū)的對應(yīng)關(guān)系,如圖3所示。在FAT區(qū)每一個記錄的位置與數(shù)據(jù)區(qū)中的一簇數(shù)據(jù)相對應(yīng),同時,這個記錄又存儲著下一簇序號,從而一個文件在FAT區(qū)形成一個鏈表。至于每一簇的序號在FAT中的存儲位置,可以根據(jù)格式化的形式(FAT12、FAT16、FAT32)確定。設(shè)每一記錄占i個字節(jié),則第N個記錄在N×i的位置上。

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  文件的結(jié)束符在FAT12下為0xFFF,在FAT16下為0xFFFF,在FAT32下為0x0FFFFFFF。如果在寫入時遇到損壞的簇,則在對應(yīng)位置寫損壞的標志(FAT12下為0xFF7,F(xiàn)AT16下為0xFFF7,F(xiàn)AT32下為0x0FFFFFF7),并且在鏈表中跳過這一損壞的簇。在刪除一個文件時,要把該文件在FAT區(qū)的鏈表全部寫‘0’,釋放空間。這樣,該鏈表中所對應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)又可以被新的文件分配。

  一個FAT的目錄項或文件項通常占用32字節(jié),并存儲該目錄或文件的相關(guān)信息。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下:

  這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中12字節(jié)的名字是目錄名還是文件名,由成員Attr決定。如果是目錄Attr可設(shè)為10H;如果是文件,Attr可設(shè)為20H,也可以是幾個屬性的組合;如果為長文件名,Attr可設(shè)為0FH。有關(guān)詳細的長文件名可參見文獻[3]。

  成員FstClusHI和FstClusL0記錄了文件第一簇數(shù)據(jù)對應(yīng)FAT中的記錄序號,即圖3中第一簇的序號,從而可以根據(jù)鏈表查找下一簇數(shù)據(jù)。在FAT12和FAT16下,成員FstClusHI總為‘0’。

4?討? 論

  本文只介紹了動態(tài)腦電圖系統(tǒng)的有關(guān)文件存儲的部分,C8051F020的功能并沒有得到充分利用。實際上C8051F020還要完成系統(tǒng)的其他很多功能。用戶可以根據(jù)自己系統(tǒng)的實際需要選擇合適的單片機。本系統(tǒng)在設(shè)計時著重考慮系統(tǒng)的功耗、體積、速度等方面的因素,所以C8051F020采用非復(fù)用的方式,以求節(jié)省1片鎖存器對低位地址的鎖存。

  CF卡在寫入文件時,由于要記錄24小時的腦電圖信號。為了防止異常發(fā)生使文件寫入失敗,可以定時地更新FAT區(qū)該文件的記錄鏈表和所存放文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的根目錄區(qū)或數(shù)據(jù)區(qū)中該文件的大小。只有保存了這些信息,所寫入的數(shù)據(jù)才能正常地讀取。

  此外,在寫入文件時,如果遇到一個扇區(qū)寫入失敗,則整個簇都不能用。為此:(1)必須查找下一個未占用的簇,再把這一簇中已經(jīng)正確寫入的扇區(qū)中的數(shù)據(jù)復(fù)制到下一簇中。這樣緩沖區(qū)中只要保存一個扇區(qū)的腦電信號就可以。(2)先對這一簇進行檢測,確定沒有錯誤后再向該簇寫入數(shù)據(jù)。這種方法雖然比較簡單,但占用系統(tǒng)的時間比較多,且在檢測到?jīng)]有錯誤后也不能完全保證下一次寫入時不發(fā)生錯誤。所以第一種方法的可靠性要高。

  實驗證明,SanDisk和EagleTec等公司的不同容量的CF卡用于本系統(tǒng)中都能夠正確地對采集到的腦電圖信號進行存取。

參考文獻

1 C8051F020/1/2/3 Mixed-Signal ISP FLASH MCU Family.CYGNAL Integrated Products Inc.2003

2 CF+ and CompactFlash Specification Revision 2.0.CompactFlash Association.2003

3?Microsoft Extensible Firmware Initiative FAT32 File System Specification.Microsoft Corporation.2000

4?Stephan Defond-Müller,Application Note CompactFlash/Flash ATA Products.Mitsubishi Electric Europe B.V.2000

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