采用C8051F020微控制器控制CF卡存儲(chǔ)及設(shè)計(jì)研究

隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)存儲(chǔ)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(jià)格低廉、體積小、存儲(chǔ)容量大、高速等特點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用于數(shù)碼相機(jī)、PDA和筆記本電腦等當(dāng)前十分熱門(mén)的消費(fèi)類(lèi)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(dòng)態(tài)腦電圖系統(tǒng)中存儲(chǔ)腦電信號(hào)。

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

1 C8051F020與CF卡的接口電路

C8051F020是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)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(chǔ)器，有4 352B的片內(nèi)RAM，片內(nèi)有看門(mén)狗定時(shí)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(jìn)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(hào)電壓。

CF卡有3種工作模式可供選擇：I／O模式、存儲(chǔ)器模式和IDE模式。CF卡的默認(rèn)模式是存儲(chǔ)器模式，使用也最為普遍。如果使用存儲(chǔ)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(chǔ)器模式下，可以采用8位的訪問(wèn)方式，也可以采用16位的訪問(wèn)方式。本文所采用的是8位的存儲(chǔ)器模式，其接口電路如圖1所示。

C8051F020的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口（EMIF）可用于訪問(wèn)片外存儲(chǔ)器和存儲(chǔ)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(xiě)（WE）線。

由于C8051F020是8位的單片機(jī)，所以對(duì)CF卡的訪問(wèn)采用8位的方式較為方便。通過(guò)把-CE2設(shè)為‘1’即可通過(guò)訪問(wèn)CF卡的D0“D7來(lái)存取數(shù)據(jù)。而-CEl可以作為CF卡的片選信號(hào)，通過(guò)設(shè)-CEl為‘0’來(lái)選通CF卡，即-CEl接C8051F020的高位地址P5．7來(lái)線選CF卡。當(dāng)CF卡插入其插座時(shí)，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(guò)檢測(cè)P1．1和P1．2來(lái)判斷CF卡是否插入CF卡插座。CF卡工作于存儲(chǔ)器模式下，-OE和-WE分別接C8051F020的讀（P1．6）、寫(xiě)（P1．7）線。當(dāng)REG為‘0’時(shí)，訪問(wèn)CF卡的屬性寄存器；REG為‘1’時(shí)，CF卡在存儲(chǔ)器模式下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

2 C8051F020對(duì)CF卡的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)

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

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

C8051F020對(duì)CF卡讀扇區(qū)數(shù)據(jù)的過(guò)程是：首先讀取第7個(gè)寄存器的狀態(tài)字，如果為50H表示沒(méi)有錯(cuò)誤，并且CF卡已經(jīng)準(zhǔn)備好；然后再分別向第2、3、4、5、6個(gè)寄存器寫(xiě)入相應(yīng)的數(shù)據(jù)指定需要讀寫(xiě)的扇區(qū)；最后向第7個(gè)寄存器寫(xiě)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(duì)CF卡向指定扇區(qū)寫(xiě)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(guò)在寫(xiě)入數(shù)據(jù)后要等到CF卡中數(shù)據(jù)穩(wěn)定并進(jìn)入空閑狀態(tài)才能結(jié)束這一過(guò)程。

在CF卡讀寫(xiě)時(shí)，分別向第2、3、4、5、6個(gè)寄存器寫(xiě)入CF卡需要訪問(wèn)的扇區(qū)位置，其寫(xiě)入模式有2種：即CHS（Cylinder／Head／Sector）模式和LBA（Logical Block Address）模式。通過(guò)設(shè)置第6個(gè)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L(zhǎng)BA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(hào)，HpC是每個(gè)柱面的磁頭數(shù)，Hn是磁頭數(shù)，Sn是扇區(qū)號(hào)，SpH是每個(gè)磁頭（簇）的扇區(qū)數(shù)。

3 CF卡的文件存儲(chǔ)

FAT（File Allocation Table）文件系統(tǒng)產(chǎn)生于20世紀(jì)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(lèi)型：FATl2、FATl6和FAT32。它們的不同是在磁盤(pán)上實(shí)際的FAT結(jié)構(gòu)中每個(gè)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(gè)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(shí)，首先要了解CF卡的容量等一系列信息。通過(guò)對(duì)CF卡寫(xiě)入命令ECH就可以讀出1個(gè)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(rèn)的柱面數(shù)、默認(rèn)的磁頭數(shù)、每個(gè)扇區(qū)的字節(jié)數(shù)、每個(gè)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(dòng)的FDT表）。

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

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

在FAT32格式下，BPB﹒RootEntCnt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(jì)算數(shù)據(jù)區(qū)的第一個(gè)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(gè)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(gè)分區(qū)，則（3）～（8）式計(jì)算出的參數(shù)只是相對(duì)當(dāng)前分區(qū)而言的，且數(shù)據(jù)區(qū)所占用的簇?cái)?shù)為：

CntofClus=”DataSec“／BPB．SecPerClus （9）

在格式化CF卡時(shí)，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?cái)?shù)，并根據(jù)總簇?cái)?shù)的大小確定FAT形式。一般來(lái)說(shuō)，如果CntofClus＜4 084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(gè)簇的序號(hào)N（N≥2），則在數(shù)據(jù)區(qū)對(duì)應(yīng)該簇的第一個(gè)扇區(qū)序號(hào)為：

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

式（10）表示了FAT與數(shù)據(jù)區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖3所示。在FAT區(qū)每一個(gè)記錄的位置與數(shù)據(jù)區(qū)中的一簇?cái)?shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，同時(shí)，這個(gè)記錄又存儲(chǔ)著下一簇序號(hào)，從而一個(gè)件在FAT區(qū)形成一個(gè)鏈表。至于每一簇的序號(hào)在FAT中的存儲(chǔ)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(gè)字節(jié)，則第N個(gè)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(xiě)入時(shí)遇到損壞的簇，則在對(duì)應(yīng)位置寫(xiě)損壞的標(biāo)志（FATl2下為0xFF5FATl6下為0xFFF7，F(xiàn)AT32下為0x0FFFFFF7），并且在{表中跳過(guò)這一損壞的簇。在刪除一個(gè)文件時(shí)，要把該文{在FAT區(qū)的鏈表全部寫(xiě)‘0’，釋放空間。這樣，該鏈表中所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)又可以被新的文件分配。 一個(gè)FAT的目錄項(xiàng)或文件項(xiàng)通常占用32字節(jié)，并存儲(chǔ)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(gè)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(gè)屬性的組合；如果為長(zhǎng)文件名，Attr可設(shè)為OFH。有關(guān)詳細(xì)的長(zhǎng)文件名可參見(jiàn)文獻(xiàn)。

成員FstClusHI和FstClusL0記錄了文件第一簇?cái)?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)FAT中的記錄序號(hào)，即圖3中第一簇的序號(hào)，從而可以根據(jù)鏈表查找下一簇?cái)?shù)據(jù)。在FATl2和FATl6下，成員FstClusHI總為‘0’。

4 討論

本文只介紹了動(dòng)態(tài)腦電圖系統(tǒng)的有關(guān)文件存儲(chǔ)的部分，C8051F020的功能并沒(méi)有得到充分利用。實(shí)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(shí)際需要選擇合適的單片機(jī)。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)低位地址的鎖存。

CF卡在寫(xiě)入文件時(shí)，由于要記錄24小時(shí)的腦電圖信號(hào)。為了防止異常發(fā)生使文件寫(xiě)入失敗，可以定時(shí)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(xiě)入的數(shù)據(jù)才能正常地讀取。 此外，在寫(xiě)入文件時(shí)，如果遇到一個(gè)扇區(qū)寫(xiě)入失敗，則整個(gè)簇都不能用。為此：（1）必須查找下一個(gè)未占用的簇，再把這一簇中已經(jīng)正確寫(xiě)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(gè)扇區(qū)的腦電信號(hào)就可以。（2）先對(duì)這一簇進(jìn)行檢測(cè)，確定沒(méi)有錯(cuò)誤后再向該簇寫(xiě)人數(shù)據(jù)。這種方法雖然比較簡(jiǎn)單，但占用系統(tǒng)的時(shí)間比較多，且在檢測(cè)到?jīng)]有錯(cuò)誤后也不能完全保證下一次寫(xiě)入時(shí)不發(fā)生錯(cuò)誤。所以第一種方法的可靠性要高。

實(shí)驗(yàn)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(duì)采集到的腦電圖信號(hào)進(jìn)行存取。