（测试计量技术及仪器专业论文）基于cf卡的数据存储模块研究与应用.pdf

摘要 摘要 强震仪能够为人们认识强地震动的特性、推动地震工程学的发展和 减轻地震灾害提供宝贵的基础资料。伴随着经济水平和现代科学技术 的发展，传统的模拟记录式强震仪已经不能满足科学研究的需要。采 用先进的嵌入式理念，利用微控制器和固态存储器技术，实现强震记 录的数字化记录，已经成为强震仪领域发展的主流。 根据目前强震仪发展的现状及趋势，在分析了各种存储介质的性能 差异后，文章提出了一种新型的数据存储方案，采用了新型的c f 卡 ( c o m p a c tf l a s h ) 作为强震仪的存储介质设计数据存储模块。相比于 其它存储介质，c f 卡具有抗振、大容量、功耗低、价格低、易插拔等 优点，比目前使用的传统的磁盘驱动器及i 、i l 型p c m c i a 卡的可靠 性高5 到1 0 倍。该论文研究了c f 卡存储介质的控制机理，采用微软 公司的f a t ( f i l ea l l o c a t i o nt a b l e 文件分配表) 文件系统进行文件的管 理。在模块设计中，采用了m s p 4 3 0 型低功耗单片机作为主控制器， 并设计了通讯、时间系统，配合数据存储模块的工作。最后，介绍了 上位机软件的编写，该软件可以实现数据上传、文件管理功能，使整 机功能得到进一步的完善提高。 基于c f 卡的数据存储模块采用了新型的存储介质和文件管理方 式，提高了仪器性能，为强震仪的数据存储设计提供了一个崭新的方 法和模型，为强震设备的进一步发展提供了方向。经过实验测试，基 于c f 卡的数据存储模块具有容量大、稳定性好、控制灵活、便携插 拔、低功耗等优点，可以满足强震仪的存储记录要求，具有良好的实 用价值。 关键词：c f 卡f a t 文件系统存储器m s p 4 3 0 单片机 a bs t r a c t s t r o n gm o t i o nr e c o r d i n gs y s t e mp r o v i d e st h ev a l u a b l ef u n d a m e n t a l i n f o r m a t i o nw h e na ne a r t h q u a k eo c c u r s ，w h i c hh e l p sr e s e a r c h e r s r e c o g n i z e t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r o n gg r o u n dm o t i o n ，m o t i v a t et h e d e v e l o p m e n to fe a r t h q u a k ee n g i n e e r i n g ，a n d a l l e v i a t et h e e a r t h q u a k e d i s a s t e r s w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt e c h n o l o g y t r a d i t i o n a la n a l o g ys t r o n gm o t i o nr e c o r d e rc a n ts a t i s f yt h en e e do ft h e m o d e ms c i e n t i f i cr e s e a r c h a tp r e s e n t ，t h er e s e a r c h e r su s u a l l ya d o p tt h e a d v a n c e de m b e d d e di d e aa n dm a k eg o o du s eo ft h em i c r o c o n t r o l l e r a s w e l la st h es o l i ds t o r a g et e c h n o l o g yt or e a l i z et h ed i g i t a lr e c o r d e r , w h i c h b e c o m e st h em a i nt r e n do fd e v e l o p m e n to fs t r o n gm o t i o nr e c o r d e r a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tc o n d i t i o n sa n dt r e n d so fs t r o n gm o t i o n r e c o r d e r ，a f t e ra n a l y z i n gt h ed i f i e r e n c e so fs o m es o l i ds t o r a g ei nd e t a i l ， t h e n i ta d o p t st h en e wc o m p a c tf l a s hc a r d ( s i m p l i f i e da sc fc a r d ) a st h e s t o r a g e o fs t r o n gm o t i o nr e c o r d e ra n dd e s i g nd a t as a v i n gm o d u l e c o m p a r e dw i t ho t h e rs t o r a g ew h i c hu s e dp r e v i o u s l y ，t h ec fc a r dh a ss o m a n ya d v a n t a g e ss u c ha sa n t i k n o c k ，b i gc a p a c i t y , l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ， l o wp r i c ea n de a s yt oi n s e r ta n dp u l lo u te t c t h ec fc a r di sf i v et ot e n t i m e sm o r er u g g e da n dr e l i a b l et h a nd i s kd r i v e si n c l u d i n gt h o s ef o u n di n p cc a r dt y p eia n dt y p ei ip r o d u c t s a f t e rc a r e f u l l ys t u d y i n gt h ec o n t r o l m e c h a n i s mo ft h ec fc a r d ，i ta d o p t st h em a n a g e m e n to ft h ef i l e a l l o c a t i o nt a b l ed o c u m e n ts y s t e mo fm i c r o s o f tc o m p a n y m o r e o v e r , i t m a k e sg o o du s eo ft h el o w e s tp o w e rc o n s u m p t i o nm c ua st h em a i n c o n t r o l l e rt o c o m p l e t e t h e m a n a g e m e n t o fm o d u l e b o t ht h e c o m m u n i c a t i o na n dt h et i m es y s t e mo ft h em o d u l ea r ed e s i g n e di nt h e a r t i c l e f i n a l l y t h ea u t h o ri n t r o d u c e st h es o r w a r eo np c w h i c hm a k e s t h eu p l o a d i n gt h ed a t af r o mt h es t o r a g ea n dt h em a n a g e m e n to ft h e d o c u m e n t sc o m et r u e a 1 1t h o s em e n t i o n e da b o v em a k e st h ew h o l e m a c h i n ef u n c t i o ng e taf u r t h e rp e r f e c te x a l t a t i o n t h ed a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n tb a s e do nt h ec fc a r du t i l i z e st h en e w s t o r a g ea n dd o c u m e n tm a n a g e m e n t ，w h i c hr a i s et h ei n s t m m e n tf u n c t i o n ， p r o v i d i n gan c wm e t h o da n dm o d u l ef o rt h ed a t aa c q u i s i t i o no fs t r o n g m o t i o nr e c o r d e r , p r e p a r i n gf o rt h ed e v e l o p m e n to ft h es t r o n gm o t i o n r e c o r d e r a f t e rt h er e f i n e de x p e r i m e n tt e s t ，t h em o d u l eb a s e do nt h ec f u c a r dh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sg o o ds t a b i l i t y , c o n t r o lv i v i d l y ，p o c k e t ， l o w e rp o w e rc o n s u m p t i o ne t c ，w h i c hc a nf u l l y s a t i s f yt h en e e do ft h e s t o r a g eo ft h es t r o n gm o t i o nr e c o r d e li th a sh i g hp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：c o m p a c tf l a s hc a r d ，f i l ea l l o c a t i o nt a b l e ，m e m o r y ， m s p 4 3 0 1 1 1 独创性声明 本人郑重声明：所星交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果，也不包含为获得主冒丝蕉 屋王程左堂班究压或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文 的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示谢 意。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：星座4 叁签字日期：釜趔：丛丝 学位论文版权使用授权书 本人完全了解虫垦丝蕉屋工捏左堂班窒压有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权虫垦丝震屋王程左堂班宜匮可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文，允许被查阅和借阅。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) ) 论文作者签名：乏基丝 导师签名： 曼冬二! j 签字只期：五倒。f 2 。妊签字日期：逊：丝：妊 1 1 课题的背景 第1 章绪论 1 9 3 3 年3 月1 0 日，美国在长滩地震中获得了世界上第一个模拟加 速度记录。在其后大约长达四十年的模拟记录时代，取得了相当多的 强地面运动和结构地震反应记录，为认识强地震动的特性、推动地震 工程学的发展和减轻地震灾害提供了宝贵的基础资料。但由于模拟记 录式强震仪本身存在的性能问题，无论是获取记录的能力和记录的质 量，都受到很大的限制。 上世纪7 0 年代末，数字磁带记录式强震仪开始投入使用i l i s l e ”j 。 随着数字技术的飞速发展，在短短几年的时间里，就从数字磁带记录 式强震仪发展到固态存储式数字强震仪。进入9 0 年代后，数字强震仪 的性能又有了很大提高，进一步开拓了强震动观测的发展前景。数字 强震仪记录不仅为地震工程研究提供了更加丰富可靠的基础数据，同 时也已经成为近场地震学研究的重要资料。进入数字时代的强震动观 测将在地震应急和减轻地震灾害损失方面发挥越来越大的作用。 伴随着近代科学技术的发展，强震仪的结构也在不断改进和完善， 仪器的数据存储方法经历了从蜡纸记录到使用大容量固态存储器存储 的重大变革1 2 0 】。下面列出了一些国内外典型强震仪的结构体系，由此 可以看出强震仪的发展历程。 1 刻划或光记录式： 刻划记录式一一代表产品有日本的s m a c - a 、s m a c - b 、s m a c q ； 光记录式代表产品有中国g q i i i 、g q i i i a ； 。 2 电流计记录式一一代表产品有中国r d z l 1 2 ，6 6 、r d z l 1 2 9 0 、 r s 2 - 9 、g q i i 一9 、s g - 4 - 1 2 t 美国c r a 1 、s m a - 1 ； 惯性摆力 平衡摆 拾震 电流计 转换 光学杠 杆放大 照相纸iil 图形数 胶片记h 一字化读 录l i取 3 模拟磁带记录式一一代表产品有美国s m a 2 、s m a 3 ；日本 s m a c q ；中国g q i v ： 4 数字磁带记录式一一代表产品有美国d s a 1 、d c s - 3 0 2 、d s a - 3 、 p d r l 、p d r - 2 ；中国s c q l 、e d s a 、e d s - b 、m e g 1 2 ； 5 固态存储式一一代表产品有美国s s a 1 、s s a 2 、s s r l 、e t n a 、 k 2 、a 7 0 0 ；日本c v 9 0 1 v r ；澳大利亚k l u n j i , 中国e d a s 一3 、g d q j - 1 ； 力平衡 摆拾震 滤波增益 放大 1 2 国内外研究现状 模数转换 数据控制 同态存储 数字记录 数字强震仪技术的发展十分迅速，最初的照相纸、胶片记录、磁带 记录式数字强震仪由于记录结构限制，抗振性能差、记录精度低、记 录数据不完整、无法记录事前数据、记录容量有限等原因，现在已经 基本淘汰。1 9 8 3 年美国研制生产了第一台固态存储数字强震仪a 一7 0 0 。 其后，固态存储数字强震仪的性能不断改进，很快成为世界各国强震 动观测的主流仪器。 目前，国内外已研制、生产了多种型号的固态存储强震仪，较新的 固态存储数字强震仪型号有：美国k i n e m e t r i c s 的k 2 、e t n a 、m a k a l u 、 m t w h i t n e y 、o u a n t e r r aq 3 3 0 等系列；美国g e o t e c h 的a 9 0 0 、d s 2 4 ； 美国s p r e n g n e t h e r 的s m r 4 0 0 0 x 系列；美国r e f r a c t i o nt e c h n o l o g y 的1 3 0 a n s s 0 2 ，1 3 0 s m 等：美国d i g t e x x 的r t m s 2 0 0 1 r m 等：美 国n e x g e n l hl l c 的d l 2 4 0 0 6 4 等；日本a k a s h i 的k n e t 9 5 、s m a c 系列；日本k a t s u j i m a 的d a t 0 1 2 0 0 0 系列；日本t o s o k u 的s a m t a c 系列：瑞士g e o s i g 的g s r 1 6 1 8 系列；瑞士s y s c o m 的m e m s 系列； 英国g u r a l p 的c m g d m 系列等。国内也已生产了工力所的g d o j 、 北京港震公司的g s m a 2 0 0 0 、北澳公司的b ad a q 等数种型号的数字 强震仪。 新型数字强震仪中采用固态存储器存储记录数据，以固化软件实现 系统的控制，用软件触发实现触发方式的多样化。同时，可以直接与 计算机进行数据通讯，并支持远程通讯。新型固态存储数字强震仪一 般均装有g p s 接收机，高精度的绝对时间服务使数字强震仪记录的使 用价值大大提高。 1 3 课题的目的、内容及意义 数字强震仪中的固态存储模块需要大容量的存储设备，然而通用的 存储设备一般采用f l a s h 存储芯片、静态r a m 、硬盘，不仅价格昂 贵，还有数据读取不便、操作困难、功耗大等问题。随着半导体技术 的发展，小型化、大容量、低功耗、智能型已经成为存储技术的发展 方向。近年来，各种小型存储介质不断问世，应用广泛。这些存储媒 体大多以f l a s hm e m o r y ( 闪烁存储器) 为主要载体，内部用微处理器进 行时序控制和存储管理，通常做成非易失性存储卡形式。 由于c f 卡容量大、价格低，接口兼容磁盘i d e 、a t a 及m e m o r y 等格式，和其它存储卡相比，c f 卡使用越来越普遍。在大容量便携式 数据存储和传输过程中，c f 卡有着非常广泛的应用前景。为了提高数 据采集仪器的性能，本课题通过对比各种固态存储介质的性能，选择 了c f 卡作为数据采集设备的存储介质。c f 卡采用闪存技术，是一种 稳定的存储解决方案，不需要电池来维持其中存储的数据。对所保存 的数据来说，c f 卡比传统的磁盘驱动器。更具安全性和保护性：比传 统的磁盘驱动器及i 、i i 型p c m c i a 卡的可靠性高5 到1 0 倍，但c f 卡的用电量仅为小型磁盘驱动器的5 ，具有低功耗特点。c f 卡是耗 电量最低的闪存解决方案。因为内置的控制器使得c f 卡采用了多种 中田地震局t 程力学研究所t 学坝 毕业论义 低能耗闪存技术。这样主机使用c f 卡时，比使用的剐的存储卡要节 省用电量。c f 卡使用3 3 v 到5 v 之间的任何电压工作，兼容性好， 可适用于不同的数字集成电路。其具有抗振、大容量、功耗低、价格 低、可便携插拔等优点，符合强震仪数据存储记录的要求。本课题基 于c f 卡设计完成了一套完整的数据存储模块软硬件，并开发了与微 软兼容的文件系统，有效地管理文件，最后编写了上位机软件用于通 讯和上传文件。 本课题使用了新型的c f 卡存储介质，其性能优于其它固态存储介 质，为强震仪的存储设备研发设计提供一个新的思路和方向，为新型 强震仪的丌发提供了一个模型。本课题的软硬件开发了均采用了模块 化设汁，核心部分可以进行广泛的移植，为高层次开发奠定了基础， 在工程研发应用中具有实际的意义。 1 4 论文的内容安排 本文通过研究c f 卡的控制原理和微软的文件管理方法，设计了数 据存储程序流程，编制了相应程序，制作了硬件模块，并在硬件模块 上实现了以单片机为核心的数据存储控制 本文共八个章节构成。 第一章为绪论，介绍了强震仪及其存储模块的发展与现状，本文研 究的目的、内容与意义。 第二章介绍了常用的非易失性存储芯片，如f l a s h 芯片、f r a m 铁电存储芯片和m r a m 芯片。并重点讲解了c f 卡的性能和特点。 第三章全面介绍了c f 的操作原理、内部寄存器功能和扇区结构， 并详细描述了c f 卡指定扇区的读写规则。 第四章介绍了微软的f a t ( 文件分配表) 的基本构架，描述了每个 区域的物理含义、簇和链表的概念。为记录器的文件管理方法提供了 参考和基础。 第五章全面介绍了基于c f 卡的数据存储模块的硬件实现，讲述了 控制器、c f 卡、c p l d 、缓存、通讯和时钟硬件的芯片选择和设计。 第六章介绍了基于c f 卡的数据存储模块的软件实现。重点介绍了 c f 卡的操作流程。包括文件的创建、写入和读取。本章还介绍了通讯 以及时钟服务的软件编程。 第七章介绍了上位机软件的编写。 第八章对全文作了总结，并对今后的工作做了展望。 第2 章存储介质介绍 存储器的生产技术可以分为两类：易失性和非易失性。易失性存储 器在断电后存储的数据会丢失，而非易失性存储器掉电后不会丢失数 据。传统的易失性存储器包括s r a m ( 静态随机存储器) 和d r a m ( 动 态随机存储器) ，他们都源自r a m 技术一一随机存取存储器技术。 r a m 的主要优点是容易使用且读写操作类似。传统的非易性存储器技 术均源自r o m 技术，即只读存储器技术。经过各种技术的改进工 程师们创造出f l a s h 和e e p r o m 存储器，这些改进的存储器丌始能够 进行写入操作。 2 1f l a s h 存储器 f l a s h ( 闪速存储器) 作为一种安全、快速的存储体，具有低功 耗、可靠性高、体积小、容量大、成本低、掉电数据不丢失等一系列 优点，已成为嵌入式系统中数据和程序最主要的载体。由于f l a s h 在结构和操作方式上与硬盘、e 2 r o m 等其他存储介质有较大区别，使 用f l a s h 时必须根据其自身特性，对存储系统进行特殊设计，以保 证系统的性能达到最优。 f l a s h 是一种非易失性存储器n v m ( n 0 1 1 v o l a t i l em e m o r y ) ，根 据结构的不同可以将其分成n o rf l a s h 和n a n df l a s h 两种。但 不管哪一种都具有如下特点： 1 区块结构 f l a s h 在物理结构上分成若干个区块，区块之间相互独立。比如 n o rf l a s h 把整个m e m o r y 分成若干个s e c t o r ，而n a n df l a s h 把 整个m e m o r y 分成若干个b l o c k ；一个区域( b l o c k ) 包含一个或多个 页面( p a g e ) ，一个页面包含多个数据存储单元( 字节或字) 。 2 先擦后写 由于f l a s h 的写操作只能将数据位从1 写成o ，不能从0 写成1 ， 所以在对存储器进行写入之前必须先执行擦操作，将预写入的数据位 初始化为l 。擦除操作的最小单位是一个区块，而不是单个字节。 3 操作指令 除了n o rf l a s h 的读，f l a s h 的其它操作不能像r a m 那样， 直接对目标地址进行总线操作。比如执行一次写操作，它必须输入一 中园地震局工程力学研宄所：r 学硕：l 毕业论文 串特殊的指令( n o rf l a s h ) ，或者完成一段时序( n a n df l a s h ) 刁+ 能将数据写入到f l a s h 中。 4 坏块 f l a s h 在使用过程中，可能导致某些区块的损坏。区块一旦损坏， 将无法进行修复。如果对已损坏的区块进行操作，可能会带来不可预 测的错误。需要在使用过程中跳过这些已经被标识出的坏区。 f l a s h 存储器在读取方面与普通的s r a m 存储器类似，一般可以实 现完全随机的读取。f l a s h 存储器最大的不同在于写操作方面。f l a s h 存储器的写操作需要经过“擦除一写入”两个操作过程。当希望对f l a s h 存储器的某一个单元进行写入时，首先必须对这个存储单元所在的区 块( b l o c k ) 执行擦除操作，擦除操作成功完成后，整个区块的数据内 容都被清空( 一般被设置成0 x f f ) ；然后对目的单元所在的页面( p a g e ) 执行写入操作，需要一次写入整个页面的全部数据内容，也有f l a s h 存储器支持部分页的写入，这样可以分多次写完一个页面，但是一旦 写过的存储单元数据就不能再被更改，操作成功后要进行数据正确性 的校验。 单片的f l a s hm e m o r y 芯片容量有限，同时接口逻辑比较特殊，在 大数据量场合使用会使得控制逻辑较为繁琐。 2 2 几种新型存储器 2 2 i 铁电存储器 铁电存储器f r a m ( f e r r o e l e c t r i cr a m ) 是第一个非易失性的r a m 存储器。它结合了s r a m 和d r a m 易写入的特性，又具有f l a s h 和 e e p r o m 的非易失性的特点。 铁电存储器( f r a m ) 的核心技术是铁电晶体材料，这一特殊材料 使铁电存储器同时拥有随机存取记忆体( r a m ) 和非易失性存储器的 特性。铁电晶体的工作原理是：当在铁电晶体材料上加入电场，晶体 中的中心原子会沿着电场方向运动，达到稳定状态。晶体中的每个自 由浮动的中心原子只有2 个稳定状态，一个记为逻辑中的0 另一个 记为l 。中心原子能在常温、没有电场的情况下，停留在此状态达1 0 0 年以上。铁电存储器不需要定时刷新，能在断电情况下保存数据。由 于整个物理过程中没有任何原子碰撞，铁电存储器有高速读写、超低 功耗和无限次写入等特性。 由于f r a m 有以上优点，特别适合于那些对数据采集、写入时间 第2 章存储介质介绍 要求很高的场合，而不会出现数据丢失，其可靠的存储能力也让我们 可以放心的把一些重要资科存储于其中，其近乎无限次写入的使用寿 命，使得他很适合担当重要系统里的暂存记忆体，用来在子系统之间 传输各种数据，供子系统频繁读写。从f r a m 问世以来，凭借其各种 优点，已经被广泛应用于仪器仪表、航空航天、工业控制系统、网络 设备、自动取款机等。 铁电存储器是一种同时拥有随机存储器和非易失性存储器特性的 高性能存储器，相对于其他类型的存储器，铁电存储器主要具有以下 特点： 1 ) 铁电存储器可以跟随总线速度写入而无须任何的写入等待时间； 2 ) 铁电贮存器可以向r a m 那样无限次的写入，新一代铁电存储器 的写入寿命高达百亿次，而e e p r o m 只能应付十万至百万次写入； 3 ) 超低功耗。它写入能量消耗仅为e e p r o m 的1 2 5 0 0 ，功耗远远 低于其他非易失性存储器。 2 2 2m r a m 存储器 m r a m ( m a g u e t i cr a n d o ma c c e $ $ m e m o r y ) 是一种非挥发性的磁 性随机存储器，所谓“非挥发性”是指关掉电源后。仍可以保持记忆 完整，功能与f l a s h 雷同；而“随机存取”是指中央处理器读取资 料时，不一定要从头开始，随时可用相同的速率，从内存的任何部位 读写信息。m r a m 运作的基本原理与硬盘驱动器相同。和在硬盘上存 储数据一样，数据以磁性的方向为依据，存储为0 或1 。它存储的数 据具有永久性，直到被外界的磁场影响之后，才会改变这个磁性数据。 m r a m 存储器的速度与我们p c 所使用的内存相比更接近。它拥 有静态随机存储器( s r a m ) 的高速读取写入能力，以及动态随机存 储器( d r a m ) 的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。 与现有的f l a s h 、s r a m 、d r a m 相比，m r a m 由于拥有存取速度 高、存取次数多、耗电量低及小体积、可嵌入，不会随着时间的推移 丽丢失数据等特性，较现有的其他存储产品在可携式电子产品的应用 上更具优势。 首先，由于m r a m 是非易失性的，所以完全断电后，它会保留数 据。由于不需要背景刷新，能够在非激活状态下关闭m r a m 。与d r a m 相比，这可以大幅降低系统功耗。m r a m 易于集成，能够更加轻松地 嵌入系统中去。与s r a m 相比，因为m r a m 的单元尺寸更小。所以 m r a m 将在成本竞争上处于优势。m r a m 还是非易失性的，而对于 s r a m 而言，只有比较复杂和昂贵的电池备份解决方案才能实现这 中国地震局t 程力学研究所t 学硕 毕业论文 点。与闪存相比，m r a m 的写入性能更佳，因为它的穿遂模式不要求 高电压，并且m r a m 的写入速度相当快。m r a m 在写入周期中消耗 的电流更少，写入每个数据位所需的功耗比闪存低几个数量级。m r a m 的耐久性是无限的，没有明显的或预计的磨损机制，而典型闪存的耐 久性仅为1 0 5 个写入周期。 目前，铁电存储器已经从实验室研发阶段一步步发展到生产销售阶 段，但其价格昂贵，存储容量有限，不利于做大容量数据存储。而 m r a m 和其他比较高级的存储器虽然承诺的条件和技术很好，但是在 实际应用层面还面临着许多障碍，很难达到目前f l a s h 存储器的水平， 并且其性能指标不适合本设计的要求，因此在设计中不选用f r a m 和 m r a m 存储器。 2 3c f 卡介绍 c f 卡的全称为“c o m p a c tf l a s h ”卡，意为“标准闪存卡”，简称 “c f 卡”，1 9 9 4 年由s a n d i s k 公司最先推出，在短短的十几年中迅速 发展，容量从最早的2 m b 到现今的8 g b 。c f 卡采用统一的标准接口， 有很好的兼容性和互换性，升级换代较为方便。c f 卡具有 p c m c i a a t a 功能，并与之兼容：c f 卡重量只有1 4 克，仅纸板火 柴般大小( 4 3 r a m 3 6 m m 3 3 m m ) ，是一种固态产品，也就是工作时 没有运动部件。 c f 卡采用闪存( f l a s h ) 技术，是一种稳定的存储解决方案不需 要电池来维持其中存储的数据。对所保存的数据来说，c f 卡比传统的 磁盘驱动器，更具安全性和保护性；比传统的磁盘驱动器及i 、i i 型 p c m c i a 卡的可靠性高5 到1 0 倍，但c f 卡的用电量仅为小型磁盘驱 动器的5 ，具有低功耗特点，典型值为3 0 m a 5 0 m a ( 3 3 v 5 v ) 。c f 卡是耗电量最低的闪存解决方案。因为内置的控制器使得c f 卡采用 了多种低能耗闪存技术；这样主机使用c f 卡时，比使用的别的存储 卡要节省用电量。c f 卡使用3 3 v 到5 v 之间的任何电压工作( 包括 3 3 v 或5 v ) ，兼容性好，可适用于不同的数字集成电路。 c o m p a c tf l a s h 技术是由c f 协会( c f a ) 提出的一种与p c 枫a t a 接 口标准兼容的技术。c f 卡由两个基本部分构成：内部控制器和闪存模 块。结构如图2 1 。 第2 章存储介质介绍 图2 - 1c f 卡内部结构框图 内部控制器用来实现c f 卡与主机的接口以及控制数据在存储模块 中的传输。c f 卡内部控制器的设计完全模拟硬盘，内置的智能控制器， 使外围电路设计大大简化，而且完全符合p c 机内存卡国际联合会 p c m c i a ( p e r s o n a lc o m p u t e rm e m o r yc a r di n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o n ) 和a t a ( a d v a n c e dt e c h n o l o g ya t t a c h m e n t ) 接口规范使用标准的 删i d e 接口。实际上，控制器起到了一种协议转换的作用，即将对 f l a s hm e m o r y 的读写转化成了对控制器的访问，这样不同的c f 卡都 可以用单一的机构来读写，面不用担心兼容性问题。c f 卡的缓冲区结 构，使得外部设备与c f 卡通信的同时，c f 卡的片内控制器可以对f l a s h 进行读写。这种设计可以增加c f 卡数据读写的可靠性，同时提高数 据传输速率。 闪存模块基本上都使用n a n d 型闪存，用于存储数据。n a n df l a s h 自身是没有存储控制器的，其结构可看作是由许多的小区块组成的， 每块都能存储一定数量的信息，类似于硬盘的簇。n a n d 型f l a s h 的 读写也是以块和页为单位来进行的，使用8 b i t 的i o 端口存取数据。 n a n d 型f l a s h 容量大、成本低、可以达到比较高的速度，所以应用 较为广泛。 c f 卡特点： 存储容量：c f 卡容量范围是4 m b 到8 ( 3 b ，一般场合使用低存储 容量的c f 卡即可。例如，一个4 m b 的c f 卡可以存储28 0 0 页的w o r d 文本或几百页的传真资料。 连接器：c f 卡使用的连接器与p c m c i a 卡所用的连接器相似，只 不过c f 卡是5 0 引脚( p c m c i a 卡6 8 引脚) ，可以很容易插入无源6 8 弓l 脚t y p e l i 适配卡并完全符合p c m c i a 电力和机械接口规格。经多年 验证，尽管c f 卡需要频繁插拔，c f 卡的连接器可靠耐用，而且比其 它小型闪存卡的连接器更要可靠耐用。 中国地震局【程力学研究所t 学硕i 毕业论文 价格：3 2 m b 及以上容量的c f 卡是最低价格的闪存解决方案。通 过内置的控制器，c f 卡内部使用了大量低价的闪存技术。目前5 1 2 m b 的c f 卡价格在2 0 0 元以内。 温度：c f 卡能够忍受温度的骤增或骤减，这是磁盘驱动器所没有 的特点。c f 卡运行温度为：2 5 。c 到+ 7 5 0 c ，而磁盘驱动器的仅为： + 5 。c 到+ 5 5 。c 。 震动：c f 卡工作时可承受的冲击是2 0 0 0g ，相当于将c f 卡从3 米的高度掉下。在通常情况下，c f 卡可以使用l o o 年以上，并且能够 保证其中的数据不丢失不损坏。 电源：一般c f 卡的用电量为3 0 m a 5 0 m a ( 3 3 v 5 v ) ，仅为磁盘驱 动器的5 ，具有低功耗特点。c f 卡运行时使用单一的3 3 v 或5 v 电 源供电即可，这样c f 卡无论目前或将来适用性都会比较广泛。 c f 卡适用的操作系统：支持c f 卡和p c m c i a a r a 标准的操作系 统有许多，例如：d o s ，w i n d o w s3 x ，w i n d o w s9 5 ，w i n d o w s9 8 n t ， w i n d o w sc e ，o s 2 ，a p p l es y s t e m7 以及大多数的u n l x 。 数据可靠性：c f 卡通过内置的动态过失管理和错误改正技术，来 保护其中数据。 如果在记录器中选择一种与p c 机兼容的存储器，而且将数据按操 作系统可以识别的格式管理，就可以利用p c 机中的各种应用软件， 更为方便地进行后续数据处理。目前常用的移动存储设备有硬盘、优 盘和c f 卡，优盘只提供了u s b 接口，而硬盘和c f 卡都可以按照标 准i d e ( i n t e g r a t e dd e v i e ee l e c t r o n i c s ) 接口访问。在数据管理方面i d e 接口较u s b 更为可靠。与硬盘相比，c f 卡又具有体积小、携带方便、 易于升级、存储量大、功耗低、抗振和稳定性好等优点，应用范围越 来越广，所以本记录器优先采用c f 作为存储介质。 第3 章c f 卡操作原理 第3 章c f 卡操作原理 3 1c f 卡的操作模式 c f 卡支持多种接口访问模式1 1 1 2 l 【4 】【5 1 【2 4 1 1 2 6 1 ，包括符合p c m c i a 规 范的m e m o r ym a p p e d 模式、i oc a r d 模式和符合a t a 规范的t r u ei d e 模式。上电时，若o e 引脚为低电平，c f 卡进入t r u ei d e 模式，此时 引脚o e 也叫a t as e l ；上电时，o e 引脚为高电平，则c f 卡进入 p c m c i a 模式。即m e m o r ym a p p e d 模式或i oc a r d 模式。此时可通过 修改配置选项寄存器进入相应的模式。c f 卡的默认模式是存储器模 式，使用也最为普遍，只需要在上电时保证o e 为高电平。如果使用 存储器模式则不需要配簧任何寄存器。存储器模式下，可以采用8 位 数据总线的访问方式，也可以采用1 6 位数据总线的访问方式，根据 c e l 、c e 2 的组合确定。 3 2c f 卡控制寄存器 c f 卡控制器中包含两组寄存器：命令寄存器和属性寄存器。命令 寄存器用来接受命令和传输数据；属性寄存器用作磁盘控制。这两个 寄存器组通过r e g 信号进行区分，高电平为命令寄存器，低电平为属 性寄存器。当c f 卡工作在i ，o 方式下，命令寄存器组的地址空问为 i f o h 1 f 7 h 和3 f 6 h 3 f 7 h ；当c f 卡工作在寄存器方式下，命令寄 存器组的地址空间为l f o h l f f h 。 当c f 卡工作在存储器方式下，c f 卡按照a t a 标准以寄存器方式 传送数据、命令和地址。这些寄存器除数据寄存器为1 6 位外，其它寄 存器均为8 位。表3 1 列出了各寄存器的含义。c f 卡的组织形式与硬 盘类似，但c f 卡内部不含磁头等机构，这里仅沿用硬盘的术语进行 解释。 常用的c f 卡命令寄存器为偏移量为0 7 的寄存器，它们的含义如 表3 1 所示。 中国地震局工程力学研究所工学硕士毕业论文 r e ga 1 0a 9 a 4a 3 a 0 偏移量 o e = 0w e = 0 注 l 0x0 0 0 0o 读偶数据写偶数据 lox0 0 0 ll错误 特征 lox0 0 1 02 扇区数扇区数 lo xo o l l3扇区序号扇区序号 l b a 7 ol b a 7 o lox 0 1 0 0 4 柱面低字节柱面低字节 l b a l 6 8l b a l 6 8 lox 0 l o l5 柱面高字节柱面高字节 l b a 2 3 1 7l b a 2 3 1 7 lox 0 1 l o 6 磁头号磁头号 l b a 2 7 2 4l b a 2 7 2 4 10xo l l l7 状态命令 表3 1c f 卡命令寄存器含义 注释含义如下： 数据寄存器( w ) ：这是一个1 6 位数据寄存器，用于对扇区的 读写操作。主机通过该寄存器向c f 卡控制器写入或从c f 卡控制寄存 器读出扇区缓冲区的数据。 错误寄存器( r ) 和特征寄存器( w ) ：错误寄存器反映控制寄 存器在诊断方式或操作方式下的错误原因。特征寄存器一般不使用。 扇区数寄存器( r w ) ：用来记录读、写命令的扇区数目。 扇区号寄存器( 刚w ) ：用来记录读、写和校验命令指定的起始 扇区号。 柱面号寄存器( r w ) ：用来记录读、写、校验和寻址命令指 定的柱面号。 驱动器，磁头寄存器( 刚w ) ：记录读、写、校验和寻道命令指定 的驱动器号、磁头号和寻址方式( c h s 模式或l b a 模式) 。 表3 - 2 磁头寄存器含义 l b a 一1 为l b a 方式，0 为c h s ( 柱面磁头扇区) 方式；d r v 一选 择驱动器0 或驱动器l ；h s 3 h s o l b a 2 7 2 4 ，或为c h ，s 方式的 磁头号。 状态寄存器( r ) 和命令寄存器( w ) ：状态寄存器反映c f 卡驱 动器执行命令后的状态，读该寄存器要清除中断请求信号。命令寄存 第3 章c f 卡操作原理 器接收主机发送的c f 卡工作的命令控制字 表3 - 3 状态寄存器含义 各位的值为l 时含义如下： b u s y - - c f 卡忙，此时不能接受其它命令； r d y 一卡可以接受命令； d w f 一写错误： d s c 一卡准备就绪； d r q c f 卡请求数据传送； c o r r 一数据错误但被修正。不会终止多扇区读操作； e r r - 一在上一命令以某种错误结束，可以在错误寄存器中查看错误 类型。 3 3c f 卡的操作流程 c f 卡的读写是以一个扇区为基本单位的。在读写一个扇区之前必 须先指明当前需要读写的柱面、头和扇区或l b a 地址。对c f 卡读取 扇区数据的过程如下：首先读取偏移量为7 的状态寄存器的状态字， 如果值为5 0 h 表示没有错误( 参考表3 3 ) ，并且c f 卡已经准备好， 可以接受命令；再分别向偏移量为2 、3 、4 、5 、6 的寄存器写入相应 的数据来指定需要读取的扇区；然后向偏移量为7 的寄存器写2 0 h 或 2 1 h ，表示此次是读取操作；读取偏移量为7 的寄存器，如果状态字 为5 9 h ，表示c f 卡准备好并请求数据传送，可以读取；最后读取偏 移量为0 的寄存器数据，读出扇区数据。一个扇区的字节需要一次性 连续读出。对c f 卡写入过程与读取过程类似，只是在写完地址后向 偏移量为7 的寄存器写入3 0 h 或3 1 h ，以表示写入操作。 在c f 卡读写时，分别向偏移量2 、3 、4 、5 、6 的寄存器写入c f 卡需要访问的扇区位置，其写入模式有两种：逻辑块地址l b a ( l o g i c a l b l o c ka d d r e s s i n g ) 与物理寻址c h s ( 柱面磁头，扇区) 。通过设置偏 移量为6 的寄存器的第6 位l b a 确定其模式：即如果l b a = o ，则为 c h s 模式；如果l b a = i ，则为l b a 模式。逻辑寻址方式将整个c