簡述：CF卡是一種包含了控制和大容量Flash存儲器的標準器件，具有容量大、體積小、高性能、攜帶方便等優點，已廣泛應用在數據采集系統和許多消息類電子產品中。本文詳細介紹CF卡在單片機系統中的硬件接口電路，以及單片機對CF卡進行標準文件讀寫的實現，且寫入的文件能被Windo

引言

         由于CF卡（Compact Flash Card）具有容量大、體積小、高性能、攜帶方便等優點，而且讀寫速度快，可與多種電腦操作系統平臺兼容，因此在數據采集系統中的數據記錄或與PC機之間的數據轉存多采用CF卡。為了在PC機中能方便地進行數據處理，在下位機端必須采用一種標準的格式組織數據，即將數據按照Windows標準文件格式寫入，在PC機端通過讀卡器將寫入CF的內容以標準文件形式讀出。Windows標準文件格式有FAT、FAT32和NTFS。考慮到廣泛使用的 Windows 98系統的CF卡的容量等因素，通常采用FAT（File Allocation Table）文件系統。單片機系統對CF卡的讀寫，就是從底層對它進行直接操作，包括尋址、創建文件和讀寫等。

1 CF卡簡介

        CF卡內集成了控制器、Flash Memory陣列和讀寫緩沖區，如圖1所示。內置的智能控制器，使外圍電路設計大大簡化，而且完全符合PC機內存卡的國際聯合會PCMCIA （Personal Computer Memory Card International Association）和ATA（Advanced Technology Attachment）接口規范。實際上，控制器起到了一種協議轉換的作用，即將對Flash Memory的讀寫轉化成了對控制器的訪問，這樣不同的CF卡都可以用單一的機構來讀寫，而不用擔心兼容性問題。CF卡的緩沖區結構，使得外部設備與CF 卡通信的同時，CF卡的片內控制器可以對Flash進行讀寫。這種設計可以增加CF卡數據讀寫的可靠性，同時提高數據傳輸速率。

        CF卡支持多種接口訪問模式，有符合PCMCIA規范的 Memory Mapped模式、I/O Card模式和符合ATA規范的True IDE模式。上電時，OE（9腳）為低電平，CF卡進入True IDE模式，此時引腳OE也叫ATA SEL；上電時，OE（9腳）為高電平，CF卡進入PCMCIA模式，即Memory Mapped模式或I/O Card模式，此時可通過修改配置選項寄存器進入相應的模式。

配置選項寄存器格式如下：

SRESET—軟復位信號；

Level REQ—中斷模式選擇（電平或邊沿觸發）。

例如，要加入Memory mapped模式，只需要在上電時保證OE為高電平，因為配置選項寄存器的conf5～conf0位的初始化值為“00000”；而要進入I/O Card模式，除了上電時保證OE為高電平外，還要進一步設置conf5～conf0，如表1所列。但是對于具體型號的CF卡而言，下面三種情況也是被 CFA（CF card Association）所允許的：
①上電時進入True IDE模式，工作過程中，只要監測到OE變為高，就退出True IDE模式；
②允許卡在復位時重新配置；
③上電時進入PCMCIA模式，允許過程中，只要監測到OE變為低，就進入True IDE模式。

表1 模式選擇

2、 CF卡與51單片機的接口

       CF卡在PC Memory方式與51芯片的接口電路如圖2所示。由于采用CF卡上電后自動進入的Memory模式，而且不存在對特性寄存器的讀寫，故可將REG接高電平。片選信號CE1和CE2組合可選擇數據位寬度，如表2所列。圖2中CE2接VCC，選用的是8位（D7～D0）數據寬度。

表2 數據寬度選擇

       為了實現即插即用的功能，CE卡上提供了兩個用來檢測卡是否存在的引腳（CD1、CD2），由卡內部接地。當主機檢測到與其相連的CD1和CD2兩個引腳同時為低電平時，可判斷出卡與主機相連；否則，卡未與主機相連。

      由于I/O口緊張，RDY/BSY引腳懸空不用，通過查詢狀態寄存器能判斷CF卡是否準備就緒。在實際應用中，由于一次至少要讀寫一個扇區512字節，所以要擴充一塊RAM。我們選用的是62256，容量為 32KB，這樣便可以支持大到2GB 的CF卡（參見下文），增加了其擴展性。

3、 FAT文件系統

       FAT文件系統是基于DOS的文件系統。常說的FAT有12位的FAT12和16位的FAT16，另外就是32位的FAT32。考慮到CF卡的容量有限，宜選用FAT16。這里只對FAT文件系統作一簡單介紹，更詳細的內容請見參考文獻。

      磁盤的尋址方式有兩種：物理尋址C/H/S（柱面/磁頭/扇區）方式和邏輯塊LBA（Logical Block Addressing）尋址方式。二者之間的轉換關系為：

LBA地址=（柱面號×磁頭數+磁頭號）×扇區數+扇區數-1

采用LBA尋址方式，沒有磁頭和磁道的轉換操作，在訪問連續的扇區時，操作速度比物理尋址方式要快，而且也簡化了對磁盤的訪問。

硬盤的結構布局分為MBR（主引導扇區）和最多4個邏輯分區（含DOS分區或非DOS分區），而在DOS邏輯分區中的磁盤組織如下：

引導扇區 FAT1 FAT2 根目標區 數據區

        引導扇區DBR（DOS Boot Record）:位于LBA 0扇區，包含跳轉指令、廠商標識和DOS版本號、BPB（BIOS Parameter Block,BIOS參數塊）、DOS引導程序、結束標志字AA55。其中BPB包含每扇區字節數、每簇扇區數、每個FAT扇區數、扇區總線、根目錄項數等等參數。

      FAT是給每個文件分配磁盤物理空間的表格。FAT16簇數的上限是2 16，即65536個，每簇扇區數的上限是64個，因此其分區空間的上限為2G。FAT1位于邏輯1扇區。FAT簇映射中，0000表示空簇， FFF0～FFF6備用，FFF8～FFFF表示簇鏈結束，FFF7表示壞簇，其余值表示其后續簇的簇號。圖3所示的文件起始簇號為2，結束簇號為4，共占用2、3、4三個簇。

     簇是存儲文件的最小單位，可以包含多個扇區。當文件本身或文件的最后一簇哪怕只有1個字節，也要占去1簇。這樣，當這種文件很多時，空間的浪費是很可觀的。

     文件目錄表FDT（File Directory Table）是操作系統尋找文件的入口，其內容是每一個文件的目錄。FDT中的每一個目錄項由32個字節組成。前8個字節是文件名，不足時用空格填滿。緊跟著的3個字節是文件擴展名，接下來是10個字節的系統保留字。然后是文件產生的時刻和日期占8個字節，再后的2個字節是文件首簇號，最后4個字節是文件大小。FDT的起始扇區可由FAT的大小計算出，而FAT的大小可在DBR中讀出。

4 軟件實現

      按照FAT16方式存儲文件，是一個通用的解決方案。因為這樣可以得到現有的DOS和 Windows系統的支持，但是代價是浪費一部分空間，也就是說存儲效率下降了。為了改善這一情況，采用了改進的存儲方法。就是先創建一個空文件，并根據需要為其分配一個大的存儲空間，寫入動作只是從尾部追加數據。這樣就避免了很多小文件的產生，既可以充分利用存儲空間，又可以使地址連續。

      CF卡的讀寫是通過卡內的緩沖區進行的，不支持直接讀寫存儲區域。緩沖區為一個FIFO結構，讀寫順序進行，不支持隨機存取，系統只能一次性地按順序讀完或寫完所有一個或多個扇區。

     設計時使用LBA方式訪問CF卡比較方便，讀寫時只需要先在相應的寄存器寫入LBA地址即可。要設定LBA方式，需訪問驅動器/磁頭寄存器。內存模式下部分寄存器譯碼如表3所列。

表3 內存模式下部分寄存器譯碼

LBA—1為LBA方式，0為C/H/S（柱面/磁頭/扇區）方式；DRV—選擇驅動器0或驅動器1；HS3～HS0—LBA27～24，或為C/H/S方式的磁頭號。

       文件創建過程也就是針對FAT和FDT的讀寫過程。首先在 FDT中申請表項，創建文件名稱、屬性、起始簇號、文件大小等，然后修改FAT，分配數據空間，備份FAT。文件存儲就是要先從FDT和FAT中獲得文件的起始簇號和簇號鏈，即LBA 地址。然后，將此地址送給寄存器3、4、5、6（表3中的offset3、4、5、6），向扇區數寄存器填寫讀寫數據所占的扇區個數，再向CF卡的命令寄存器寫入操作的命令字，寫操作30H，讀操作20H。當寫入命令或寫入數據后要查詢狀態寄存器的狀態，以判定CF卡是否準備就緒或寫入成功。狀態寄存器結構如下：

各位的值為1時含義如下：

BUSY—CF卡記，此時不能接受其它命令；

RDY—卡可以接受命令；

DWF—寫錯誤；

DSC—卡準備就緒；

DRQ—CF卡請求數據傳送；

CORR—數據錯誤但被修正，不會終止多扇區讀操作；

ERR—在上一命令以某種錯誤結束，可以在錯誤寄存器中查看錯誤類型。

下面以向CF卡寫一個扇區數據為例，給出圖4所示流程和C程序代碼。

bit flag_1,flag_2;

void cfwr()

{

unsigned char status;

cfwr_comm(0xe0,0x00,0x00,0x6c);

//寫參數命令，指向邏輯6c扇區

do{status=PBYTE[0x07]; //讀狀態寄存器

if((status & 0x01)==0x01)

flag_1=1; //若ERR=1，置出錯標志，做相應處理

while(status!=0x58);

cfwr_dat(); //寫入數據

do{status=PBYTE[0x07]; //讀狀態寄存器

if((status & 0x20)==0x20)

flag_2=1; //若DWF=1時，置出錯標志，做相應處理

while(status!=0x50);

}

void cfwr_comm(unsigned char lba27,lba23,la15,lba7) //寫參數命令函數

{PBYTE[0x02] 扇區數為1

PBYTE[0x03]=lba7;

PBYTE[0x04]=la15;

PBYTE[0x05]=lba23;

PBYTE[0x06]=lba27; //設定LBA方式

PBYTE[0x07]=0x30; //送寫入命令30H

}

void cfwr_dat() //寫數據函數

{unsigned int i,temp;

unsigned char xdata dat[512]; //dat[]存放一個扇區的數據

for (i=0;i<512;i++) //連續寫512字節

{P1=P1 & 0xf8; //選中外部RAM

temp=dat[i];

P1++; //根據實際電路選擇中CF卡

PBYTE[0x00]=temp;}

}

5 結論

筆者在濕度檢測儀中，根據本文所介紹的方法，用CF卡向計算機轉存數據，可以非常方便地對數據進行維護。