單片機(jī)與MMC卡的接口

媒體卡MMC(MultiMedia Card)是由美國(guó)SanDisk公司和德國(guó)Simens公司于1997年共同開發(fā)推出的一種多功能存儲(chǔ)卡。內(nèi)置控制電路，可以使用在手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、MP3、PDA等多種數(shù)字設(shè)備上，可反復(fù)記錄30萬(wàn)次?，F(xiàn)在市場(chǎng)上的主流容量有128 MB～2 GB。
???

?????? ?文中首先介紹單片機(jī)對(duì)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(xì)說(shuō)明MMC卡文件的創(chuàng)建、讀寫、刪除等操作。該方法可應(yīng)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(jī)與MMC卡的接口

?????? 1.1 單片機(jī)與MMC卡的接口電路
???

?????? 接口電路采用的是Philips公司的增強(qiáng)型LPC93x系列單片機(jī)。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(shí)現(xiàn)單片機(jī)與MMC卡的互連。
???

?????? MMC卡有7個(gè)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(guò)4條信號(hào)線完成數(shù)據(jù)的傳輸。這4條信號(hào)線分別是時(shí)鐘SPICLK、數(shù)據(jù)輸入MISO、數(shù)據(jù)輸出MOSI和片選SS#。
???

?????? ?LPC93x單片機(jī)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(guò)向MMC卡發(fā)送樞直的命令并讀取樞直的響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)MMC卡的控制。在對(duì)MMC卡讀寫之前，首先要進(jìn)行初始化操作。這是確保MMC卡能在SPI模式下進(jìn)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(gè)時(shí)鐘，確保MMC卡進(jìn)入SPI模式。
???

??????? 初始化完成之后，如果使用默認(rèn)的塊讀寫長(zhǎng)度(512字節(jié))，就可進(jìn)行MMC卡的讀寫。當(dāng)然，也可用CMD16來(lái)設(shè)置。MMC卡的塊讀取長(zhǎng)度，可以是1～512字節(jié)之間的任意值。但是對(duì)MMC的寫過(guò)程則要求塊長(zhǎng)度必須為512字節(jié)。無(wú)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(gè)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(wèn)，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(dǎo)記錄、文件分配表、文件目錄表以及數(shù)據(jù)區(qū)4個(gè)部分。
???

???? ?分區(qū)引導(dǎo)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(biāo)志記錄表；
???? ?③分區(qū)引導(dǎo)記錄代碼區(qū)；
????? ④結(jié)束標(biāo)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(dǎo)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(chǔ)，但是同一個(gè)文件的數(shù)據(jù)并不一定完整地存放在磁盤的一個(gè)連續(xù)的區(qū)域內(nèi)，往往會(huì)分成若干簇，F(xiàn)AT表就是記錄文件存儲(chǔ)中簇與簇之問(wèn)連接信息的，這就是文件的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)。FATl6以2個(gè)字節(jié)(即16位)表示1個(gè)簇，起始2個(gè)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(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)可以容納16個(gè)登記項(xiàng)，每個(gè)登記項(xiàng)的長(zhǎng)度是32字節(jié)。
???

??????? 文件目錄表之后就是數(shù)據(jù)區(qū)DATA，用來(lái)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(shí)現(xiàn)
???

??????? 單片機(jī)對(duì)MMC底層的讀寫，按照FAT16的格式對(duì)MMC卡上數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)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(guò)程就是在文件目錄表FDT中申請(qǐng)登記項(xiàng)的過(guò)程。登記項(xiàng)中包括文件名、文件長(zhǎng)度和起始簇號(hào)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(bǔ)充???
? u8 ExtName[3]; //擴(kuò)展名???
? u8 attribute; //屬性，典型值:存檔(0x20)、卷標(biāo)(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(hào)???
? u32 FileLength; //文件長(zhǎng)度???
}DIR_tag;??

????? ? 文件名一般占用8字節(jié)，長(zhǎng)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(xiàng)未使用，E5H表示該文件(或目錄)已被刪除。創(chuàng)建目錄時(shí)，屬性值設(shè)置為10H(表示子目錄)，文件長(zhǎng)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(dāng)讀取MMC卡上的文件時(shí)，首先要根據(jù)文件名查找到該文件的目錄登記項(xiàng)。根據(jù)目錄登記項(xiàng)中的起始簇號(hào)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(gè)簇號(hào)。根據(jù)第2個(gè)簇號(hào)又能找到第2簇的內(nèi)容和FAT表中的第3個(gè)簇號(hào)。這樣，就可以根據(jù)FAT表中的簇號(hào)讀取到全部文件數(shù)據(jù)。寫文件時(shí)要保證FAT1和FAT2中內(nèi)容的一致性，即對(duì)兩塊都要進(jìn)行同樣的寫操作。對(duì)于FATl6，可以由下面的公式計(jì)算出數(shù)據(jù)起始邏輯扇區(qū)號(hào)：
???

?????? 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(hào)-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(gè)FAT占用243個(gè)扇區(qū)，F(xiàn)DT固定占用32個(gè)扇區(qū)。寫文件的相關(guān)代碼如下(設(shè)文件長(zhǎng)度小于512字節(jié))：

?????? 3.3 文件的刪除
???

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

1. int?file_delete(DIR_tag?*file_tag){ ??
2. ??u16?k,clust_buf,offset1,offset=?file_tag.StartCluster*2;?//FAT16用16位表示1個(gè)簇 ??
3. ??file_tag.FileName[7]=0xe5;//FDT中文件被刪除標(biāo)志 ??
4. ??write_fdt(file_tag);//寫修改過(guò)的目錄登記項(xiàng)寫回MMC卡 ??
5. ??k=?file_tag.FileLength/512+1;//總循環(huán)次數(shù) ??
6. ??mmc_read_block(&sde,fat1_addr+offset/512,mmc_buffer); ??
7. //讀取起始簇號(hào)所在的塊 ??
8. ??do?{ ??
9. ????clust_buf=?mmc_buffer[offset%512]&0x00ff(mmc_buffer[offset%512+1]&0x00ff)<<8; ??
10. ????if(clust_buf!=?0xffff){?//不是文件終止 ??
11. ????mmc_buffer[offset%512]=0;?//空簇標(biāo)志00?00 ??
12. ????mmc_buffer[offset%512+1]=0; ??
13. ????offset1=?clust_buf*2;?//偏移地址 ??
14. ????} ??
15. ????else{?//文件終止,完成返回1 ??
16. ????mmc_buffer[offset%512]=0; ??
17. ????mmc_buffer[offset%512+1]=0; ??
18. ????mmc_write_block(&sde,fat1_addr+?offset/512,mmc_buffer);?//寫FAT1 ??
19. ????mmc_write_block(&sdc,fat2_addr+?offset/512,mmc_buffer);?//寫FAT2,內(nèi)容與FAT1同 ??
20. ????return?1; ??
21. ????} ??
22. ????if(offset1/512?!=offset/512){ ??
23. ????mmc_write_block(&sdc,fat1_addr+?offset/512,mmc_buffer);?//寫FAT1 ??
24. ????mmc_write_block(&sdc,fat2_addr+?offset/512,mmc_buffer);?//寫FAT2,內(nèi)容與FAT1同 ??
25. ????mmc_read_block(&sdc,fat1_addr+?offset1/512,mmc_buffer);?//讀取下一簇號(hào)所在的塊 ??
26. ????} ??
27. ????offset=?offset1;?k--; ??
28. }while(k>=0); ??
29. return?0;?//未找到文件結(jié)束標(biāo)志,返回0??

????? 4 小結(jié)
???

?????? 通過(guò)對(duì)SPI模式下MMC卡讀寫和文件系統(tǒng)的研究，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對(duì)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(chǔ)器的解決方案，采集到的數(shù)據(jù)會(huì)以標(biāo)準(zhǔn)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(jià)比的同時(shí)，又方便了數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析、處理。通過(guò)在長(zhǎng)時(shí)間心電圖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，證明了該方法的可行性。該方案也可應(yīng)用到諸如MP3等與Windows有交互的移動(dòng)存儲(chǔ)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。