单片机与MMC卡的接口

媒体卡MMC(MultiMedia Card)是由美国SanDisk公司和德国Simens公司于1997年共同开发推出的一种多功能存储卡。内置控制电路，可以使用在手机、数码相机、MP3、PDA等多种数字设备上，可反复记录30万次。现在市场上的主流容量有128 MB～2 GB。
   

        文中首先介绍单片机对SPI协议下的MMC卡的底层读写操作，然后分析MMC卡文件系统的结构，最后详细说明MMC卡文件的创建、读写、删除等操作。该方法可应用到与Windows有交互的嵌入式系统中，便于文件的统一管理。

       1 单片机与MMC卡的接口

       1.1 单片机与MMC卡的接口电路
   

       接口电路采用的是Philips公司的增强型LPC93x系列单片机。它除了比普通的8051有更快的指令执行周期外，还提供多种在片的硬件接口功能，如UART、SPI、I2C等，因此用LPC93x的SPI接口实现单片机与MMC卡的互连。
   

       MMC卡有7个引脚，支持两种串行数据传输协议，即MMC(Multimedia Card)模式和SPI(Serial PeripheralInterface)模式。在SPI模式中，通过4条信号线完成数据的传输。这4条信号线分别是时钟SPICLK、数据输入MISO、数据输出MOSI和片选SS#。
   

        LPC93x单片机与MMC卡的接口电路如图1所示。

 
       1.2 MMC卡底层读写原理
   

        MMC卡读写操作都是基于命令的，通过向MMC卡发送枢直的命令并读取枢直的响应来实现对MMC卡的控制。在对MMC卡读写之前，首先要进行初始化操作。这是确保MMC卡能在SPI模式下进行正常数据读写的前提。需要注意的是，在发送使MMC卡空闲命令CMD0之前至少等待74个时钟，确保MMC卡进入SPI模式。
   

        初始化完成之后，如果使用默认的块读写长度(512字节)，就可进行MMC卡的读写。当然，也可用CMD16来设置。MMC卡的块读取长度，可以是1～512字节之间的任意值。但是对MMC的写过程则要求块长度必须为512字节。无论是MMC卡的读还是写，都要求在读写命令发送后有数据起始令牌FEH，数据传输结束之后有2个字节的循环冗余编码CRC(Cyclic Redundancy Codes)。

        2 MMC卡文件系统的结构分析
   

       要使写入MMC卡的数据在Windows下访问，需要在MMC卡上创建Windows支持的FATl6文件系统。MMC卡上的FATl6文件系统的结构包含分区引导记录、文件分配表、文件目录表以及数据区4个部分。
   

      分区引导记录通常包含4块内容；
      ①BIOS参数记录块BPB(BIPS Parameter Block)；
      ②磁盘标志记录表；
      ③分区引导记录代码区；
      ④结束标志55AA。
   

       BPB表从扇区字节位移0bH开始，共占25字节。表1是从MMC卡的首扇区中读出的BPB表的内容。

       在分区引导记录之后是FAT(File Allocation Table，文件分配表)区。FATl6的文件系统中有两份完全相同的文件分配表FAT1和FAT2，每份FAT表占用空间的大小可从BPB表中查得。
   

       文件在磁盘上以簇为单位存储，但是同一个文件的数据并不一定完整地存放在磁盘的一个连续的区域内，往往会分成若干簇，FAT表就是记录文件存储中簇与簇之问连接信息的，这就是文件的链式存储。FATl6以2个字节(即16位)表示1个簇，起始2个字为F8FFH、FFFFH，后面的FFFFH表示终止，0000H表示未使用。
   

       紧接在FAT表之后的是文件目录表FDT，固定占32个扇区，每个扇区可以容纳16个登记项，每个登记项的长度是32字节。
   

        文件目录表之后就是数据区DATA，用来存放文件数据，占用大部分的磁盘空间。

       3 MMC卡文件系统的实现
   

        单片机对MMC底层的读写，按照FAT16的格式对MMC卡上数据进行操作，就可在MMC卡上创建文件、读写文件和删除文件等，从而实现文件的管理。3.1 文件(或目录)的创建
   

       在MMC卡上创建文件(或目录)的过程就是在文件目录表FDT中申请登记项的过程。登记项中包括文件名、文件长度和起始簇号等内容。为此定义了如下结构：   

     代码
typedef struct{   
  u8 FileName[8]; //文件名，不足8字节用空格补充   
  u8 ExtName[3]; //扩展名   
  u8 attribute; //属性，典型值:存档(0x20)、卷标(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; //起始簇号   
  u32 FileLength; //文件长度   
}DIR_tag;  

        文件名一般占用8字节，长的文件名需要用resetx,ed[]数组。文件名的首字节又表明该文件的状态，00H表示该目录项未使用，E5H表示该文件(或目录)已被删除。创建目录时，属性值设置为10H(表示子目录)，文件长度为0。

      3.2 文件的读写
   

        MMC卡上文件都是以簇为单位存取的。当读取MMC卡上的文件时，首先要根据文件名查找到该文件的目录登记项。根据目录登记项中的起始簇号既可找到文件在数据区DATA中第1簇的内容，又可在FAT表中找到第2个簇号。根据第2个簇号又能找到第2簇的内容和FAT表中的第3个簇号。这样，就可以根据FAT表中的簇号读取到全部文件数据。写文件时要保证FAT1和FAT2中内容的一致性，即对两块都要进行同样的写操作。对于FATl6，可以由下面的公式计算出数据起始逻辑扇区号：
   

       起始逻辑扇区=隐藏扇区数+1+2*每FAT扇区数+FDT扇区数+(起始簇号-2)*每簇扇区数
   

       从表1可知，MMC卡上隐藏的扇区数为0，每个FAT占用243个扇区，FDT固定占用32个扇区。写文件的相关代码如下(设文件长度小于512字节)：

       3.3 文件的删除
   

        文件的删除也是对MMC卡上文件管理的一个重要方面。删除文件时，并不涉及数据区的操作，只须在文件的目录登记项上作一个删除标记，并把文件在FAT表中所占用的簇标记为“空簇”。删除文件的代码如下：

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个簇   
3.   file_tag.FileName[7]=0xe5;//FDT中文件被删除标志   
4.   write_fdt(file_tag);//写修改过的目录登记项写回MMC卡   
5.   k= file_tag.FileLength/512+1;//总循环次数   
6.   mmc_read_block(&sde,fat1_addr+offset/512,mmc_buffer);   
7. //读取起始簇号所在的块   
8.   do {   
9.     clust_buf= mmc_buffer[offset%512]&0x00ff(mmc_buffer[offset%512+1]&0x00ff)<<8;   
10.     if(clust_buf!= 0xffff){ //不是文件终止   
11.     mmc_buffer[offset%512]=0; //空簇标志00 00   
12.     mmc_buffer[offset%512+1]=0;   
13.     offset1= clust_buf*2; //偏移地址   
14.     }   
15.     else{ //文件终止,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); //写FAT1   
19.     mmc_write_block(&sdc,fat2_addr+ offset/512,mmc_buffer); //写FAT2,内容与FAT1同   
20.     return 1;   
21.     }   
22.     if(offset1/512 !=offset/512){   
23.     mmc_write_block(&sdc,fat1_addr+ offset/512,mmc_buffer); //写FAT1   
24.     mmc_write_block(&sdc,fat2_addr+ offset/512,mmc_buffer); //写FAT2,内容与FAT1同   
25.     mmc_read_block(&sdc,fat1_addr+ offset1/512,mmc_buffer); //读取下一簇号所在的块   
26.     }   
27.     offset= offset1; k--;   
28. }while(k>=0);   
29. return 0; //未找到文件结束标志,返回0  

      4 小结
   

       通过对SPI模式下MMC卡读写和文件系统的研究，实现了单片机对MMC卡FAT16文件的管理，包括文件的创建、读写、删除等操作。该方法为数据采集系统提供了一种非易失性存储器的解决方案，采集到的数据会以标准文件的格式记录到MMC卡上，数据文件可在Windows下用读卡器读取，在保证高性价比的同时，又方便了数据的进一步分析、处理。通过在长时间心电图监测系统中的实际应用，证明了该方法的可行性。该方案也可应用到诸如MP3等与Windows有交互的移动存储设备中，便于文件的统一管理。
   

        系统采用SPI接口，占用较少的I/O资源。由于SD卡也支持SPI模式，故文中的MMC卡也可以用SD卡替代。