單片機與MMC卡的接口

        多媒體卡MMC(MultiMedia Card)是由美國SanDisk公司和德國Simens公司于1997年共同開發(fā)推出的一種多功能存儲卡。內(nèi)置控制電路，可以使用在手機、數(shù)碼相機、MP3、PDA等多種數(shù)字設(shè)備上，可反復記錄30萬次?，F(xiàn)在市場上的主流容量有128 MB～2 GB。   

        文中首先介紹單片機對SPI協(xié)議下的MMC卡的底層讀寫操作，然后分析MMC卡文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，最后詳細說明MMC卡文件的創(chuàng)建、讀寫、刪除等操作。該方法可應用到與Windows有交互的嵌入式系統(tǒng)中，便于文件的統(tǒng)一管理。

       1 單片機與MMC卡的接口

       1.1 單片機與MMC卡的接口電路   

       接口電路采用的是Philips公司的增強型LPC93x系列單片機。它除了比普通的8051有更快的指令執(zhí)行周期外，還提供多種在片的硬件接口功能，如UART、SPI、I2C等，因此用LPC93x的SPI接口實現(xiàn)單片機與MMC卡的互連。   

       MMC卡有7個引腳，支持兩種串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，即MMC(Multimedia Card)模式和SPI(Serial PeripheralInterface)模式。在SPI模式中，通過4條信號線完成數(shù)據(jù)的傳輸。這4條信號線分別是時鐘SPICLK、數(shù)據(jù)輸入MISO、數(shù)據(jù)輸出MOSI和片選SS#。   

        LPC93x單片機與MMC卡的接口電路如圖1所示。

 
       1.2 MMC卡底層讀寫原理

        MMC卡讀寫操作都是基于命令的，通過向MMC卡發(fā)送樞直的命令并讀取樞直的響應來實現(xiàn)對MMC卡的控制。在對MMC卡讀寫之前，首先要進行初始化操作。這是確保MMC卡能在SPI模式下進行正常數(shù)據(jù)讀寫的前提。需要注意的是，在發(fā)送使MMC卡空閑命令CMD0之前至少等待74個時鐘，確保MMC卡進入SPI模式。

        初始化完成之后，如果使用默認的塊讀寫長度(512字節(jié))，就可進行MMC卡的讀寫。當然，也可用CMD16來設(shè)置。MMC卡的塊讀取長度，可以是1～512字節(jié)之間的任意值。但是對MMC的寫過程則要求塊長度必須為512字節(jié)。無論是MMC卡的讀還是寫，都要求在讀寫命令發(fā)送后有數(shù)據(jù)起始令牌FEH，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束之后有2個字節(jié)的循環(huán)冗余編碼CRC(Cyclic Redundancy Codes)。

        2 MMC卡文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析   

       要使寫入MMC卡的數(shù)據(jù)在Windows下訪問，需要在MMC卡上創(chuàng)建Windows支持的FATl6文件系統(tǒng)。MMC卡上的FATl6文件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)包含分區(qū)引導記錄、文件分配表、文件目錄表以及數(shù)據(jù)區(qū)4個部分。   

      分區(qū)引導記錄通常包含4塊內(nèi)容；
      ①BIOS參數(shù)記錄塊BPB(BIPS Parameter Block)；
      ②磁盤標志記錄表；
      ③分區(qū)引導記錄代碼區(qū)；
      ④結(jié)束標志55AA。   

       BPB表從扇區(qū)字節(jié)位移0bH開始，共占25字節(jié)。表1是從MMC卡的首扇區(qū)中讀出的BPB表的內(nèi)容。

       在分區(qū)引導記錄之后是FAT(File Allocation Table，文件分配表)區(qū)。FATl6的文件系統(tǒng)中有兩份完全相同的文件分配表FAT1和FAT2，每份FAT表占用空間的大小可從BPB表中查得。
   
       文件在磁盤上以簇為單位存儲，但是同一個文件的數(shù)據(jù)并不一定完整地存放在磁盤的一個連續(xù)的區(qū)域內(nèi)，往往會分成若干簇，F(xiàn)AT表就是記錄文件存儲中簇與簇之問連接信息的，這就是文件的鏈式存儲。FATl6以2個字節(jié)(即16位)表示1個簇，起始2個字為F8FFH、FFFFH，后面的FFFFH表示終止，0000H表示未使用。
   
       緊接在FAT表之后的是文件目錄表FDT，固定占32個扇區(qū)，每個扇區(qū)可以容納16個登記項，每個登記項的長度是32字節(jié)。   

        文件目錄表之后就是數(shù)據(jù)區(qū)DATA，用來存放文件數(shù)據(jù)，占用大部分的磁盤空間。

       3 MMC卡文件系統(tǒng)的實現(xiàn)
   
        單片機對MMC底層的讀寫，按照FAT16的格式對MMC卡上數(shù)據(jù)進行操作，就可在MMC卡上創(chuàng)建文件、讀寫文件和刪除文件等，從而實現(xiàn)文件的管理。3.1 文件(或目錄)的創(chuàng)建     在MMC卡上創(chuàng)建文件(或目錄)的過程就是在文件目錄表FDT中申請登記項的過程。登記項中包括文件名、文件長度和起始簇號等內(nèi)容。為此定義了如下結(jié)構(gòu)： 
     代碼
typedef struct{   
  u8 FileName[8]; //文件名，不足8字節(jié)用空格補充   
  u8 ExtName[3]; //擴展名   
  u8 attribute; //屬性，典型值:存檔(0x20)、卷標(0x08)   
  u8 reserved[10]; //保留   
  u16 time; //time=Hr*2048+Min*32+Sec+2   
  u16 date; //date=(Yr-1980)*512+Mon*32+Day   
  u16 StartCluster; //起始簇號   
  u32 FileLength; //文件長度   
}DIR_tag;  

        文件名一般占用8字節(jié)，長的文件名需要用resetx,ed[]數(shù)組。文件名的首字節(jié)又表明該文件的狀態(tài)，00H表示該目錄項未使用，E5H表示該文件(或目錄)已被刪除。創(chuàng)建目錄時，屬性值設(shè)置為10H(表示子目錄)，文件長度為0。

      3.2 文件的讀寫
   
        MMC卡上文件都是以簇為單位存取的。當讀取MMC卡上的文件時，首先要根據(jù)文件名查找到該文件的目錄登記項。根據(jù)目錄登記項中的起始簇號既可找到文件在數(shù)據(jù)區(qū)DATA中第1簇的內(nèi)容，又可在FAT表中找到第2個簇號。根據(jù)第2個簇號又能找到第2簇的內(nèi)容和FAT表中的第3個簇號。這樣，就可以根據(jù)FAT表中的簇號讀取到全部文件數(shù)據(jù)。寫文件時要保證FAT1和FAT2中內(nèi)容的一致性，即對兩塊都要進行同樣的寫操作。對于FATl6，可以由下面的公式計算出數(shù)據(jù)起始邏輯扇區(qū)號：   

       起始邏輯扇區(qū)=隱藏扇區(qū)數(shù)+1+2*每FAT扇區(qū)數(shù)+FDT扇區(qū)數(shù)+(起始簇號-2)*每簇扇區(qū)數(shù) 

       從表1可知，MMC卡上隱藏的扇區(qū)數(shù)為0，每個FAT占用243個扇區(qū)，F(xiàn)DT固定占用32個扇區(qū)。寫文件的相關(guān)代碼如下(設(shè)文件長度小于512字節(jié))：
  
       代碼
void file_write(DIR_tag  *file_tag,char *data){   
    //data為指向數(shù)據(jù)的指針   
    u16  j,offset=file_tag.StartCluster*2;   
    //FAT16用16位表示1個簇   
    mmc_read block(&sdc,fat1_addr+offset/512,mmc_buffer);    //讀取起始簇號所在的塊   
    mmc_buffer[offset%512]=0xff;//文件結(jié)束標志ff ff   
    mme_buffer[offset%512+1]=0xff;   
    mmc_write_block(&sdc,fat1_addr+offset/512,mmc_buffer);    //寫FAT1   
  mmc_write_block(&sdc,fat2_addr+offset/512,mmc_buffer);    //寫FAT2,與FAT1同   
  for(j=0,j   mmc_write_block(&sdc,519+(file_tag.StartCluster-2),mmc_buffer);    //寫入數(shù)據(jù)   
}  

       3.3 文件的刪除   

        文件的刪除也是對MMC卡上文件管理的一個重要方面。刪除文件時，并不涉及數(shù)據(jù)區(qū)的操作，只須在文件的目錄登記項上作一個刪除標記，并把文件在FAT表中所占用的簇標記為“空簇”。刪除文件的代碼如下：

     4 小結(jié)   

       通過對SPI模式下MMC卡讀寫和文件系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了單片機對MMC卡FAT16文件的管理，包括文件的創(chuàng)建、讀寫、刪除等操作。該方法為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種非易失性存儲器的解決方案，采集到的數(shù)據(jù)會以標準文件的格式記錄到MMC卡上，數(shù)據(jù)文件可在Windows下用讀卡器讀取，在保證高性價比的同時，又方便了數(shù)據(jù)的進一步分析、處理。通過在長時間心電圖監(jiān)測系統(tǒng)中的實際應用，證明了該方法的可行性。該方案也可應用到諸如MP3等與Windows有交互的移動存儲設(shè)備中，便于文件的統(tǒng)一管理。   

        系統(tǒng)采用SPI接口，占用較少的I/O資源。由于SD卡也支持SPI模式，故文中的MMC卡也可以用SD卡替代。