AT89S52单片机与CF卡的接口电路设计

1 前言
随着计算机应用技术的飞速发展,移动存储设备得到了广泛的应用。其中CF(Compact Flash)卡以其价格低廉、体积小、存储容量大、高速等优点在众多移动存储设备中被广泛地应用于数码相机、PDA和笔记本电脑等当前十分热门的消费类电子产品中。并且CF卡在其他领域中也得到了广泛的应用。本文所述内容就是通过8051单片机对CF卡进行读写。

2.CF卡的操作方式
CF卡的操作方式与计算机的硬盘操作方式类似,其扇区的寻址也有两种方式：物理寻址(CHS)和逻辑寻址(LBA),物理寻址使用柱面、磁头和扇区号表示一个特定的扇区,起始扇区是0道、0头、1区,接下来是2区等等,逻辑寻址将整个CF卡统一寻址。逻辑块寻址和物理寻址的关系为：LBA地址=(柱面号×磁头数+磁头号)×扇区数+扇区数一1

在实际使用过程中,用LBA地址进行寻址,可以大大简化编程的工作量,避免柱面、磁头和扇区之间的换算和切换,并且可以突破CHS对大容量的无法寻址的限制。

3.CF卡的文件管理
CF卡的文件管理系统和硬盘的文件管理是一样的,他将CF卡的存储空间分为五个部分：主引导记录扇区(MBR)、DOS引导区(DBR)、文件分配表(FAT)、文件目录表(FDT)和数据。

主引导记录扇区(MBR)
主引导记录扇区(MBR)在0柱面、0磁头、1扇区。主引导记录记录磁盘最重要的结构信息。主引导记录是硬磁盘作分区时建立的(Fdisk)。主引导记录包括一小段执行代码(主引导代码)、磁盘特征和硬盘分区表。主引导记录结束的两个字节必须是引导自举标记0x55AA。磁盘特征位于0x01B8, 指定磁盘操作系统。

DOS引导区(DBR)
DOS引导区(DBR)的起始扇区在0柱面、1磁头、1扇区,磁盘的逻辑0扇区都称为DOS引导扇区,又称为BOOT区。它由以下5个部分组成：
    跳转指令,占用3个字节的跳转指令将跳至引导代码,其内容随DOS版本变化。
    厂商标识和DOS版本号。该部分总共占用8个字节,其内容随DOS版本而不同。
    BPB（BIOS Paramenter Block, BIOS参数块）。BPB从第12字节起占用19个字节。
    DOS引导程序。DOS引导程序既是占用480字节的BOOT代码,负责完成DOS的3个系统文件的装入工作。这部分内容随DOS版本不同而变化。

结束标志字,结束标志占用2个字节,其值为AA55。
BPB表中所记录的有关参数,能帮助编程者确定磁盘的容量大小、文件分配表FAT的位置和大小、文件目录表FDT的位置和大小。因此以FAT32分区格式为例讨论BPB表的结构。

偏移量为0BH、0CH记录每个扇区的字节数,0DH记录每簇扇区数。0EH、OFH记录保留扇区数,10H记录FAT表的数目,15H磁盘介质描述符,18H每个磁道的扇区数,24H每个FAT表的扇区数,2CH～2FH根目录起始号。

文件分配表(FATl)
文件分配表FAT(File Allocation Tabel)是文件管理系统用来给每个文件分配磁盘物理空间的表格,它告诉操作系统,文件存放在磁盘什么地方。文件分配表(FAT)有表标识和簇映射(旧称表目)的集合组成。一个完全相同的镜像副本连续存储在主 FAT 表后。表标识符包括磁盘介质描述符( 1 字节)和填充字节, 总计占两个簇的簇映射区域(这大概也就是 FAT 文件系统簇号由2开始的原因), 填充字节一般为 FF,FAT32 的填充字节中还包含"脏位", 即系统启动时执行磁盘检查(FAT-ChkDsk/NTFS-AutoChk)。FAT 簇映射中, 0000 表示空簇, FFFF 表示簇链结束, FFF7 表示坏簇, 其余值表示其后续簇的簇号。FAT12 和 FAT32 的存储策略同 FAT16 类似, 例如 FAT12的结束簇为 FFF, FAT32 的坏簇为 0FFFFFF7 等(注意 FAT32 的高 4 位保留)。文件分配表(FAT2)是FAT1的完全备份。

文件目录表(FDT) 在文件目录表中,每个文件占32个字节（用PC-TOOLS或DEBUB读出时占两行）,各个字节的含义是这样的：0-7 字节：文件名;8-10 字节：扩展名;11 字节,表示文件属性;12-21 共10个字节为保留字段,没有使用;22-23 为建立文件的时间;24-25 为建立文件的日期;26-27 为文件占用的第一个簇号,即起始簇;28-31 共4个字节为此文件的长度。

3.AT89S52与CF卡的接口设计
CF卡有3种工作模式可供选择：I／0模式、存储器模式和IDE模式。CF卡的默认模式是存储器模式,使用也最为普遍。如果使用存储器模式则不需要配置任何寄存器。每一种模式的电路连接各不相同。在I／0模式和存储器模式下,可以采用8位的访问方式,也可以采用16位的访问方式。本文所采用的是8位的存储器模式,其接口电路原理图如图1所示。

AT89S52的P0口就为数据线连接CF的DO—D7,CF卡的A0－A10为地址线,P3．6、P3．7分别为读(RD)、写(WE)线。由于 AT89S52是8位的单片机,所以对CF卡的访问采用8位的方式较为方便。通过把-CE2设为‘1’即可通过访问CF卡的D0--D7来存取数据。而- CEl可以作为CF卡的片选信号,通过设-CEl为‘0’来选通CF卡,即-CEl接AT89S52的P2.6来线选CF卡。当REG为‘0’时,访问 CF卡的属性寄存器;REG为‘1’时,CF卡在存储器模式下对数据进行读写操作。RDY/BSY为CF卡状态引脚,当为“0”时,CF卡忙,为“1”时可以对CF卡操作。原理图如图所示：

限于篇幅只将写一个扇区代码编写（读扇区代码基本与此相同）如下：
;写一个扇区
WRITE:   MOV DPTR, #SECTR_CNT
          MOV A, #1
          MOVX @DPTR, A
          MOV DPTR, #SECTR_NO
          MOV A, SECTRNO
          MOVX @DPTR, A
          MOV DPTR, #CYLINDER_LOW
          MOV A, CYLINDERL
          MOVX @DPTR, A    
MOV DPTR, #CYLINDER_HI
          MOV A, CYLINDERH
          MOVX @DPTR, A
          MOV DPTR, #DRV_HEAD
          MOV A, DRVHEAD
          ANL A, #0FH
          ORL A, #0E0H
          MOVX @DPTR, A
          MOV DPTR, #COMMAND
          MOV A, 30H    
          MOVX @DPTR, A
WRITE512:MOV R6,#0  
          MOV R7,#2
WRITE:   MOV DPTR,#DATA_REG
        MOV A,#31H
          MOVX @DPTR,A
      DJNZ R6,WRITE
      DJNZ R7,WRITE
      RET

4．结束语
本设计的接口电路,阐述了CF卡的读写方法,并采用了通用的MCS-51系列单片机为系统控制器,可移植性好。根据此电路可应用于其他单片机对CF卡进行读写,采用CF卡作为存储介质,容量大,体积小,价格低廉,可应用于MP3播放器,数码相机,移动存储等各个领域,本试验在线路板上调试通过,并配合计算机串口对CF卡进行读写操作,并可对CF卡进行数据恢复。