摘? 要： C8051F020是一種混合信號ISP Flash微控制器，采用數(shù)據(jù)和地址總線非復用方式。而CF卡工作于8位存儲器模式下由C8051F020控制其操作，且其文件系統(tǒng)采用FAT形式。本文詳細地介紹了FAT形式下引導區(qū)、FAT區(qū)、根目錄區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)相關(guān)的一些計算，以及在CF卡中的文件存儲過程。
關(guān)鍵詞： C8051F020? CF卡? FAT? 文件存儲
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隨著計算機應用技術(shù)的飛速發(fā)展，移動存儲設(shè)備得到了廣泛的應用。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卡具有價格低廉、體積小、存儲容量大、高速等特點，因此被廣泛地應用于數(shù)碼相機、PDA和筆記本電腦等當前十分熱門的消費類電子產(chǎn)品中。CF卡在其他領(lǐng)域中也得到了廣泛的應用。如本文所述內(nèi)容就是將CF卡應用于動態(tài)腦電圖系統(tǒng)中存儲腦電信號。
由于CF卡中存儲的腦電圖信號要能夠從PC機上讀取出來，所以必須把腦電圖信號以相應的文件格式存儲。下面將介紹采用C8051F020微控制器控制CF卡的文件存儲，并詳細地介紹其軟、硬件的設(shè)計。
1?C8051F020與CF卡的接口電路
C8051F020是完全集成的混合信號系統(tǒng)級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存儲器，有4 352B的片內(nèi)RAM，片內(nèi)有看門狗定時器、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用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式、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、
和JTAG引腳都兼容5V的輸入信號電壓。C8051F020其他功能可參考文獻[1]。
CF卡有3種工作模式可供選擇：I/O模式、存儲器模式和IDE模式[2]。CF卡的默認模式是存儲器模式，使用也最為普遍。如果使用存儲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模式和存儲器模式下，可以采用8位的訪問方式，也可以采用16位的訪問方式。本文所采用的是8位的存儲器模式，其接口電路如圖1所示。
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C8051F020的外部數(shù)據(jù)存儲器接口(EMIF)可用于訪問片外存儲器和存儲器映射的I/O器件。若設(shè)置EMIF的配置寄存器EMI0CF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工作于非復用方式；設(shè)置EMD1～0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(
)、寫(
)線。
由于C8051F020是8位的單片機，所以對CF卡的訪問采用8位的方式較為方便。通過把-CE2設(shè)為‘1’即可通過訪問CF卡的D0～D7來存取數(shù)據(jù)。而-CE1可以作為CF卡的片選信號，通過設(shè)-CE1為‘0’來選通CF卡，即-CE1接C8051F020的高位地址P5.7來線選CF卡。當CF卡插入其插座時，CD1和CD2都連接到地(GND)；C8051F020的P1.1、P1.2分別連到CD1和CD2，并可以通過檢測P1.1和P1.2來判斷CF卡是否插入CF卡插座。CF卡工作于存儲器模式下，-OE和-WE分別接C8051F020的讀(P1.6)、寫(P1.7)線。當REG為‘0’時，訪問CF卡的屬性寄存器；REG為‘1’時，CF卡在存儲器模式下對數(shù)據(jù)進行讀寫操作。
2?C8051F020對CF卡的數(shù)據(jù)讀寫
圖1所示電路的CF卡在存儲器模式下有關(guān)數(shù)據(jù)讀寫的一些寄存器地址如表1所示。
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CF卡1個扇區(qū)為512B，這些數(shù)據(jù)都是從表1中的第0個寄存器中讀出，而且每次讀寫數(shù)據(jù)最小為1個扇區(qū)，但也可以設(shè)置從第2個寄存器中讀出，1次讀寫幾個扇區(qū)。
C8051F020對CF卡讀扇區(qū)數(shù)據(jù)的過程是：首先讀取第7個寄存器的狀態(tài)字，如果為50H表示沒有錯誤，并且CF卡已經(jīng)準備好；然后再分別向第2、3、4、5、6個寄存器寫入相應的數(shù)據(jù)指定需要讀寫的扇區(qū)；最后向第7個寄存器寫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。
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C8051F020對CF卡向指定扇區(qū)寫數(shù)據(jù)的命令是30H或31H，其操作亦與讀數(shù)據(jù)相似，只不過在寫入數(shù)據(jù)后要等到CF卡中數(shù)據(jù)穩(wěn)定并進入空閑狀態(tài)才能結(jié)束這一過程。
在CF卡讀寫時，分別向第2、3、4、5、6個寄存器寫入CF卡需要訪問的扇區(qū)位置，其寫入模式有2種：即CHS(Cylinder/Head/Sector)模式和LBA(Logical Block Address)模式。通過設(shè)置第6個寄存器的第6位LBA確定其模式：即如果LBA=0，則為CHS模式；如果LBA=1，則為LBA模式。
由CHS模式到LBA模式的轉(zhuǎn)換如下：
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其中LBA是邏輯塊地址，Cn是柱面號，HpC是每個柱面的磁頭數(shù)，Hn是磁頭數(shù)，Sn是扇區(qū)號，SpH是每個磁頭(簇)的扇區(qū)數(shù)。
3??CF卡的文件存儲
FAT(File Allocation Table)文件系統(tǒng)產(chǎn)生于20世紀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種類型：FAT12、FAT16和FAT32。它們的不同是在磁盤上實際的FAT結(jié)構(gòu)中每個記錄(Entry)所占的位數(shù)不同。FAT12占12位(1.5字節(jié))，F(xiàn)AT16占16位(2字節(jié))，F(xiàn)AT32占32位(4字節(jié))。每一個記錄中的數(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，首先要了解CF卡的容量等一系列信息。通過對CF卡寫入命令ECH就可以讀出1個扇區(qū)，其中包含了該CF卡的一些參數(shù)的信息，如容量、默認的柱面數(shù)、默認的磁頭數(shù)、每個扇區(qū)的字節(jié)數(shù)、每個磁道的扇區(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)(引導區(qū))。
1區(qū)：FAT區(qū)。
2區(qū)：根目錄區(qū)(FAT32中存在的是浮動的FDT表)。
3區(qū)：文件、目錄與數(shù)據(jù)區(qū)(下面簡稱數(shù)據(jù)區(qū))。
引導區(qū)中包含了整個FAT文件系統(tǒng)的重要信息，即BPB(BIOS Parameter Block)。下面為BPB的幾個重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
typedef struct FAT
{
unsigned short BytsPerSec；//每個扇區(qū)所包含的字節(jié)數(shù)
unsigned char SecPerClus；//每一簇所包含的扇區(qū)數(shù)
unsigned short RsvdSecCnt；//保留區(qū)所占用的扇區(qū)數(shù)
unsigned char NumFATs；//FAT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的個數(shù)
unsigned short RootEntCnt；//在FAT12和FAT16格式
//下，根目錄中32位目錄的個數(shù)
unsigned short TotSec16；//16位表示的總扇區(qū)數(shù)
unsigned short FATSz16；//1個FAT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所
//占用的扇區(qū)數(shù)
unsigned short SecPerTrk；//每一磁道中所包含的扇區(qū)數(shù)
unsigned short NumHeads；//每一磁道中所包含的磁頭數(shù)
unsigned long? TotSec32；//32位表示的總扇區(qū)數(shù)
} BPB；
根據(jù)上面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以計算根目錄、數(shù)據(jù)區(qū)等在CF卡中的位置。
在根目錄區(qū)中，每一個目錄或文件的記錄占32個字節(jié)。根據(jù)FAT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以計算出根目錄占用的扇區(qū)數(shù)：
RootDirSec=((BPB.RootEntCnt*32)+(BPB.BytsPer-Sec-1))/BPB.BytsPerSec????(3)
在FAT32格式下，BPB.RootEntCnt為‘0’，因此RootDirSec總是為‘0’。
如果BPB.FATSz16不為‘0’，就可以根據(jù)下面公式計算數(shù)據(jù)區(qū)的第一個扇區(qū)地址。
FirstDataSec=BPB.ResvdSecCnt+(BPB.NumFATs*BPB.FATSz16)+RootDirSec????? (4)
因此數(shù)據(jù)區(qū)所占用的扇區(qū)數(shù)：
DataSec=BPB.TotSec16－FirstDataSec (5)
根目錄的第一個扇區(qū)地址(在FAT12、FAT16下)：
FirstRootDirSec=BPB.ResvdSecCnt+(BPB.NumFATs*BPB.FATSz16)
如果BPB.FATSz16為‘0’，則BPB.FATSz32一定不為‘0’，則有：
FirstDataSec=BPB.ResvdSecCnt+(BPB.NumFATs*BPB.FATSz32)+RootDirSec????? (6)
DataSec=BPB.TotSec32－FirstDataSec????? (7)
FirstRootDirSec=BPB.ResvdSecCnt+(BPB.NumFATs*BPB.FATSz32)????? (8)
如果CF卡有多個分區(qū)，則(3)～(8)式計算出的參數(shù)只是相對當前分區(qū)而言的，且數(shù)據(jù)區(qū)所占用的簇數(shù)為：
CntofClus=DataSec/BPB.SecPerClus????? (9)
在格式化CF卡時，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)總的簇數(shù)，并根據(jù)總簇數(shù)的大小確定FAT形式。一般來說，如果CntofClus＜4 084簇，則可以格式化成FAT12的形式；如果≥4 084簇而＜65 524簇，則可以格式化成FAT16的形式；如果≥65 524簇，則格式化成FAT32的形式。
若給定一個簇的序號N(N≥2)，則在數(shù)據(jù)區(qū)對應該簇的第一個扇區(qū)序號為：
??? FirstSecofClus=((N-2)*BPB.SecPerClus)+FirstDataSec (10)
式(10)表示了FAT與數(shù)據(jù)區(qū)的對應關(guān)系，如圖3所示。在FAT區(qū)每一個記錄的位置與數(shù)據(jù)區(qū)中的一簇數(shù)據(jù)相對應，同時，這個記錄又存儲著下一簇序號，從而一個文件在FAT區(qū)形成一個鏈表。至于每一簇的序號在FAT中的存儲位置，可以根據(jù)格式化的形式（FAT12、FAT16、FAT32）確定。設(shè)每一記錄占i個字節(jié)，則第N個記錄在N×i的位置上。
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文件的結(jié)束符在FAT12下為0xFFF，在FAT16下為0xFFFF，在FAT32下為0x0FFFFFFF。如果在寫入時遇到損壞的簇，則在對應位置寫損壞的標志(FAT12下為0xFF7，F(xiàn)AT16下為0xFFF7，F(xiàn)AT32下為0x0FFFFFF7)，并且在鏈表中跳過這一損壞的簇。在刪除一個文件時，要把該文件在FAT區(qū)的鏈表全部寫‘0’，釋放空間。這樣，該鏈表中所對應的數(shù)據(jù)區(qū)又可以被新的文件分配。
一個FAT的目錄項或文件項通常占用32字節(jié)，并存儲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；如果是文件，Attr可設(shè)為20H，也可以是幾個屬性的組合；如果為長文件名，Attr可設(shè)為0FH。有關(guān)詳細的長文件名可參見文獻[3]。
成員FstClusHI和FstClusL0記錄了文件第一簇數(shù)據(jù)對應FAT中的記錄序號，即圖3中第一簇的序號，從而可以根據(jù)鏈表查找下一簇數(shù)據(jù)。在FAT12和FAT16下，成員FstClusHI總為‘0’。
4?討? 論
本文只介紹了動態(tài)腦電圖系統(tǒng)的有關(guān)文件存儲的部分，C8051F020的功能并沒有得到充分利用。實際上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)的實際需要選擇合適的單片機。本系統(tǒng)在設(shè)計時著重考慮系統(tǒng)的功耗、體積、速度等方面的因素，所以C8051F020采用非復用的方式，以求節(jié)省1片鎖存器對低位地址的鎖存。
CF卡在寫入文件時，由于要記錄24小時的腦電圖信號。為了防止異常發(fā)生使文件寫入失敗，可以定時地更新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，所寫入的數(shù)據(jù)才能正常地讀取。
此外，在寫入文件時，如果遇到一個扇區(qū)寫入失敗，則整個簇都不能用。為此：(1)必須查找下一個未占用的簇，再把這一簇中已經(jīng)正確寫入的扇區(qū)中的數(shù)據(jù)復制到下一簇中。這樣緩沖區(qū)中只要保存一個扇區(qū)的腦電信號就可以。(2)先對這一簇進行檢測，確定沒有錯誤后再向該簇寫入數(shù)據(jù)。這種方法雖然比較簡單，但占用系統(tǒng)的時間比較多，且在檢測到?jīng)]有錯誤后也不能完全保證下一次寫入時不發(fā)生錯誤。所以第一種方法的可靠性要高。
實驗證明，SanDisk和EagleTec等公司的不同容量的CF卡用于本系統(tǒng)中都能夠正確地對采集到的腦電圖信號進行存取。
參考文獻
1 C8051F020/1/2/3 Mixed-Signal ISP FLASH MCU Family.CYGNAL Integrated Products Inc.2003
2 CF+ and CompactFlash Specification Revision 2.0.CompactFlash Association.2003
3?Microsoft Extensible Firmware Initiative FAT32 File System Specification.Microsoft Corporation.2000
4?Stephan Defond-Müller，Application Note CompactFlash/Flash ATA Products.Mitsubishi Electric Europe B.V.2000