單片機讀寫U盤、cf卡開發(fā)心得

    剛做完一個項目，要求將人體心電信號采集下來，存儲到海量存儲設備中，可以用U盤也可以用CF卡。這個項目的難點不在采集，只要做好信號放大、濾波防干擾，就可以保證信號采集的正確性。而難點在于數(shù)據(jù)的存儲，要求患者將24小時甚至更長時間的所有心電信號都存儲下來，按照10ms采集一次數(shù)據(jù)那么一個小時就要400K，一天的數(shù)據(jù)存儲量需要9.6M。因此一般的靜態(tài)E2滿足不了使用的要求，有些情況下，設備要求能夠連續(xù)使用一個禮拜，而數(shù)據(jù)不能丟失，因此必須選用一個大存儲量器件。我們在這個項目中選擇的是U盤，當然我的一個師弟采用的CF卡也完成了數(shù)據(jù)的存儲。所謂U盤就是一個帶有USB接口的硬盤，如果去掉USB接口芯片，U盤內(nèi)部和CF卡和普通的PC硬盤結構一樣。因此很有必要研究一下硬盤的物理結構和數(shù)據(jù)分布結構。其實很多同行，也遇到過如此問題，在這里我將我的使用心得和大家交流一下，如果有何意見可以交流：jiangfuting@163.com，我有些簡單的小程序可以提供給大家。我向大家推薦一本書《硬盤扇區(qū)讀寫技術》，當然這本書前60頁講得很詳細，很有意義，至于這本書后面部分，建議大家就不要看了，呵呵，jnmcu.com 也有一些不錯的資料，大家可以參考。其實單片機讀寫硬盤，關鍵是按照FAT格式讀寫硬盤，說白了，就是單片機要按照PC機WINDOWS的規(guī)矩來辦事。我想在這里將我這個項目的心得和大家談一下，如果有不對的地方，還請高手指正。我把單片機或者ARM讀寫U盤分為兩種方式，就是FAT格式和非FAT格式，這里的“非FAT格式”是我自己發(fā)明的一個詞，后面的部分，我還要詳細的闡述。

1.非FAT格式下，讀寫U盤
如果我們不按照FAT格式讀寫U盤的話，其實很簡單，我在以前的帖子中也一再堅持，就是將CF卡和U盤當作一個無限大的外部RAM，那么這種模式下，U盤和CF卡與普通的外部擴展RAM的區(qū)別就僅僅是讀寫U盤的時候，不能一個字節(jié)一個自己的來，必須一次512B，不能通過地址總線找到每一個RAM字節(jié)的存放地址，而必須是一個扇區(qū)一個扇區(qū)的來。如果能夠接受這一點，那么，你就可以通過單片機讀寫U盤了。當然這還需要主意一些問題，就是你不能隨意的存儲和讀寫你的數(shù)據(jù)，你必須接受U盤的要求。其實這些要求也很簡單，就是不能往FAT表的扇區(qū)寫任何數(shù)據(jù)，否這，你的U盤就崩潰了，在WINDOWS下就識別不出來了，我就干過這種事情，往U盤的FAT表和FAT備份表寫了一數(shù)據(jù)，最后的結果是U盤往PC機的USB口一插，計算機就死機，原因就是WINDOWS不能識別U盤，而U盤本身沒有壞，就是說USB通信沒有問題，有問題的是FLASH的扇區(qū)，讓我寫壞了，而寫壞的部分恰恰是FAT表，這是一個災難性的錯誤，解決的辦法就是憑著各種資料，把FAT表的格式和數(shù)據(jù)通過單片機再寫回去，呵呵，我用了一個上午的時間來拯救我那可憐的U盤。如果你注意了以上的問題，那么好，就可以準備用單片機讀寫U盤了。前面我也說了，用單片機讀寫U盤，必須一個扇區(qū)一個扇區(qū)的來。也就是說，我們讀寫的最小單位就是一個扇區(qū)512B。那么就必須要求你的單片機能夠提供至少512B的RAM，我這里選用的是STC89C54RD，這個單片機能夠滿足我的要求，此單片機具體的信息可以查詢，就不給廠家做廣告了。那么就是讀寫的地址的問題了。此中模式下，最關鍵的問題就是用單片機把數(shù)據(jù)存進去，或者讀出來，那么我們這個地址怎么設置，如果用匯編51的話，就是DPL1,DPH1，DPL0,DPH0怎么設置應該設置成什么？其實這也就是FLASH的地址，就是U盤數(shù)據(jù)的存放地址，如果我們用4個8位的數(shù)據(jù)來表示所有的FLASH的話，就是FFFFFFFF,那么我們尋址的范圍就是200G，這么大的空間，我們怎么確定呢，jnmcu.com有些資料，可以查看。我在這里簡單的說明一下：單片機寫入地址=相關扇區(qū)號+32　 轉換成4個十六進制就可以，就是單片機的外部訪問地址。其中最關鍵的就是相關扇區(qū)號，硬盤的存儲單位不應該是扇區(qū)，而是“簇”,而單片機讀寫地址的關聯(lián)卻是扇區(qū)，應此我們還必須找清楚簇號和扇區(qū)號的關系。這種關系的找法有很多中，我參考了大量的資料總結了一下，就是FAT表的第一個扇區(qū)和第一個簇指的是同一個地方，哈哈，有的讀者已經(jīng)明白了，既然第一個扇區(qū)和第一個簇指的是同一個地方，那么他們的計算公式一相等，就可以得出簇和扇區(qū)的關系，在這里我總結的關系是:數(shù)據(jù)首扇區(qū)地址＝（文件起始簇號－根目錄簇）*每簇扇區(qū)數(shù)目+根目錄扇區(qū),這個關系是一個 不變的關系，不管你是8M的U盤或者CF卡，還是200G的硬盤，這個關系肯定不變，有了這個關系，我們就可以根據(jù)簇璉來找扇區(qū)，找到扇區(qū)，轉換成4個16進制的數(shù)據(jù)，就是單片機的讀寫地址了。至此就完成了單片機讀寫U盤的所有準備工作。但是這種模式下讀寫出來的數(shù)據(jù)不是FAT格式，但是卻是一種實用，簡單的讀寫方式，我覺得這種方式很好。

2.FAT格式下單片機讀寫U盤/cf卡
我在做這個項目的時候將大部分時間都花在研究硬盤的FAT分區(qū)格式上，因為U盤和CF卡的物理結構和數(shù)據(jù)分布結構和PC硬盤的結構完全一樣，而又沒有系統(tǒng)的資料和書來介紹U盤的結構，所以我就仔細研究了一下硬盤的數(shù)據(jù)結構，JNMCU.COM 有一些U盤的資料，也不是太全面。通過仔細的查看硬盤的結構，我們就會發(fā)現(xiàn)硬盤的分布結構是固定的，有它自己的規(guī)律，我們掌握了這種規(guī)律就可以一步一步來分析?，F(xiàn)在有很多廠家和公司提供單片機讀寫U盤的子程序庫，我當時看一下，不大喜歡他們做的程序庫，首先他們的程序不公開，也就是說，我們想學習的話，只能學習他們子程序的用法，再有，他們做的容錯機制太多，做的處理太負責，應此光光他們的程序庫就20多K，而我們單片機的硬件資源是很有限的FLASH都不是太大，我們還要留著自己的代碼空間進行數(shù)據(jù)處理，應此，子程序庫我不推薦使用。我覺得，找到其中的規(guī)律按照規(guī)律編寫自己的代碼是很方便的。也有的同仁要說，你做的程序穩(wěn)定嗎？可靠嗎？FAT需要很多容錯機制的，我想說，沒用，一旦出了錯，就是在好多容錯機制都已經(jīng)于事無補了，最好的辦法，就是做好系統(tǒng)后，自己多測試，我做的便攜式心電監(jiān)護儀，一次采集30M的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式就是1.TXT，就是一個記事本，我聯(lián)系測試了1個月，沒有發(fā)生一次數(shù)據(jù)存儲不穩(wěn)的情況，現(xiàn)在這個產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應用在醫(yī)療設備中。所以，不要說你考慮的了就是好事，我認為，先作出來，然后多做測試，自己心中就不會心虛?，F(xiàn)在詳細的將一下FAT的數(shù)據(jù)結構。硬盤的物理結構應該是FAT表的BPB表－FAT表－FAT表的備份表－FDT表（根目錄扇區(qū)）－DATA區(qū)。找到這些規(guī)律，我們關心其實就是DATA區(qū)。進行尋址的方式就是簇璉尋址的方法。首先要找到U盤的FAT表的BPB表，這里有U盤最基本的信息，包括每扇區(qū)自己數(shù)，每簇扇區(qū)數(shù)，保留扇區(qū)數(shù)，F(xiàn)AT表的數(shù)目，每個FAT表的扇區(qū)數(shù)，根目錄其實簇號等最基本最重要的信息。找到這個信息后，通過扇區(qū)和簇的關系（前面已經(jīng)將過），就可以找到文件的FDT表的第一個扇區(qū)的第一個簇，找到這些數(shù)據(jù)以后就號辦了。就可以按照硬盤的簇璉尋址方法進行讀寫了。

　以上是本人在開發(fā)便攜式心電監(jiān)護儀中單片機讀寫U盤的一點心得和開發(fā)筆記，希望行家里手多多指正，也希望剛剛開始開發(fā)的同行多多交流