單片機與MMC卡的接口

媒體卡MMC(MultiMedia Card)是由美國SanDisk公司和德國Simens公司于1997年共同開發(fā)推出的一種多功能存儲卡。內(nèi)置控制電路，可以使用在手機、數(shù)碼相機、MP3、PDA等多種數(shù)字設備上，可反復記錄30萬次?，F(xiàn)在市場上的主流容量有128 MB～2 GB。
   

        文中首先介紹單片機對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)，最后詳細說明MMC卡文件的創(chuàng)建、讀寫、刪除等操作。該方法可應用到與Windows有交互的嵌入式系統(tǒng)中，便于文件的統(tǒng)一管理。

       1 單片機與MMC卡的接口

       1.1 單片機與MMC卡的接口電路
   

       接口電路采用的是Philips公司的增強型LPC93x系列單片機。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接口實現(xiàn)單片機與MMC卡的互連。
   

       MMC卡有7個引腳，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4條信號線完成數(shù)據(jù)的傳輸。這4條信號線分別是時鐘SPICLK、數(shù)據(jù)輸入MISO、數(shù)據(jù)輸出MOSI和片選SS#。
   

        LPC93x單片機與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，通過向MMC卡發(fā)送樞直的命令并讀取樞直的響應來實現(xiàn)對MMC卡的控制。在對MMC卡讀寫之前，首先要進行初始化操作。這是確保MMC卡能在SPI模式下進行正常數(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個時鐘，確保MMC卡進入SPI模式。
   

        初始化完成之后，如果使用默認的塊讀寫長度(512字節(jié))，就可進行MMC卡的讀寫。當然，也可用CMD16來設置。MMC卡的塊讀取長度，可以是1～512字節(jié)之間的任意值。但是對MMC的寫過程則要求塊長度必須為512字節(jié)。無論是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，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)引導記錄、文件分配表、文件目錄表以及數(shù)據(jù)區(qū)4個部分。
   

      分區(qū)引導記錄通常包含4塊內(nèi)容；
      ①BIOS參數(shù)記錄塊BPB(BIPS Parameter Block)；
      ②磁盤標志記錄表；
      ③分區(qū)引導記錄代碼區(qū)；
      ④結(jié)束標志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，但是同一個文件的數(shù)據(jù)并不一定完整地存放在磁盤的一個連續(xù)的區(qū)域內(nèi)，往往會分成若干簇，F(xiàn)AT表就是記錄文件存儲中簇與簇之問連接信息的，這就是文件的鏈式存儲。FATl6以2個字節(jié)(即16位)表示1個簇，起始2個字為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個扇區(qū)，每個扇區(qū)可以容納16個登記項，每個登記項的長度是32字節(jié)。
   

        文件目錄表之后就是數(shù)據(jù)區(qū)DATA，用來存放文件數(shù)據(jù)，占用大部分的磁盤空間。

       3 MMC卡文件系統(tǒng)的實現(xiàn)
   

        單片機對MMC底層的讀寫，按照FAT16的格式對MMC卡上數(shù)據(jù)進行操作，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)的過程就是在文件目錄表FDT中申請登記項的過程。登記項中包括文件名、文件長度和起始簇號等內(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)用空格補充   
  u8 ExtName[3]; //擴展名   
  u8 attribute; //屬性，典型值:存檔(0x20)、卷標(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   
  u32 FileLength; //文件長度   
}DIR_tag;  

        文件名一般占用8字節(jié)，長的文件名需要用resetx,ed[]數(shù)組。文件名的首字節(jié)又表明該文件的狀態(tài)，00H表示該目錄項未使用，E5H表示該文件(或目錄)已被刪除。創(chuàng)建目錄時，屬性值設置為10H(表示子目錄)，文件長度為0。

      3.2 文件的讀寫
   

        MMC卡上文件都是以簇為單位存取的。當讀取MMC卡上的文件時，首先要根據(jù)文件名查找到該文件的目錄登記項。根據(jù)目錄登記項中的起始簇號既可找到文件在數(shù)據(jù)區(qū)DATA中第1簇的內(nèi)容，又可在FAT表中找到第2個簇號。根據(jù)第2個簇號又能找到第2簇的內(nèi)容和FAT表中的第3個簇號。這樣，就可以根據(jù)FAT表中的簇號讀取到全部文件數(shù)據(jù)。寫文件時要保證FAT1和FAT2中內(nèi)容的一致性，即對兩塊都要進行同樣的寫操作。對于FATl6，可以由下面的公式計算出數(shù)據(jù)起始邏輯扇區(qū)號：
   

       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-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FAT占用243個扇區(qū)，F(xiàn)DT固定占用32個扇區(qū)。寫文件的相關(guān)代碼如下(設文件長度小于512字節(jié))：

       3.3 文件的刪除
   

        文件的刪除也是對MMC卡上文件管理的一個重要方面。刪除文件時，并不涉及數(shù)據(jù)區(qū)的操作，只須在文件的目錄登記項上作一個刪除標記，并把文件在FAT表中所占用的簇標記為“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個簇   
3.   file_tag.FileName[7]=0xe5;//FDT中文件被刪除標志   
4.   write_fdt(file_tag);//寫修改過的目錄登記項寫回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)束標志,返回0  

      4 小結(jié)
   

       通過對SPI模式下MMC卡讀寫和文件系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了單片機對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器的解決方案，采集到的數(shù)據(jù)會以標準文件的格式記錄到MMC卡上，數(shù)據(jù)文件可在Windows下用讀卡器讀取，在保證高性價比的同時，又方便了數(shù)據(jù)的進一步分析、處理。通過在長時間心電圖監(jiān)測系統(tǒng)中的實際應用，證明了該方法的可行性。該方案也可應用到諸如MP3等與Windows有交互的移動存儲設備中，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。