基于單片機的CF卡文件存儲

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、RST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。

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。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。

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EMIOCF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EMDl～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(RD)、寫(WE)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-CEl可以作為CF卡的片選信號，通過設(shè)-CEl為'0'來選通CF卡，即-CEl接C8051F020的高位地址P5．7來線選CF卡。當CF卡插入其插座時，CDl和CD2都連接到地(CND)；C8051F020的P1．1、P1．2分別連到CDl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。

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。

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=I，則為LBA模式。

由CHS模式到LBA模式的轉(zhuǎn)換如下:

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：FATl2、FATl6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。FATl2占12位(1．5字節(jié))，F(xiàn)ATl6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)：

在FAT32格式下，BPBqRootEntCnt為'0'，因此RootDirSec總是為'0'。

如果BPB．FATSzl6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．FATSzl6)+RootDirSec (4)

因此數(shù)據(jù)區(qū)所占用的扇區(qū)數(shù)：

DataSec=BPB．TotSecl6-FirstDataSec (5)

根目錄的第一個扇區(qū)地址(在FATl2、FATl6下)：

FirstRootDirSec=BPB．ResvdSecCnt+(BPB．NumFATs*BPB．FATSzl6)
如果BPB．FATSzl6為'0'，則BPB．FATSz32一定不為'0'，則有：

FirstDataSec=BPB．ResvdSecCnt+fBPB．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CntofClus4 084簇，則可以格式化成FATl2的形式；如果≥4 084簇而65 524簇，則可以格式化成FATl6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(FATl2、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。

文件的結(jié)束符在FATl2下為0xFFF，在FATl6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(FATl2下為0xFF5FATl6下為0xFFF7，F(xiàn)AT32下為0x0FFFFFF7)，并且在{表中跳過這一損壞的簇。在刪除一個文件時，要把該文{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j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OFH。有關(guān)詳細的長文件名可參見文獻。

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FATl2和FATl6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人數(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。