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嵌入式系统的存储卡接口技术研究 摘要 在嵌入式系统的工业、军事及个人应用中，许多场合需要使用存储器来存 储大量的数据，而且要求断电时能够保存数据。存储卡的特点刚好满足了嵌入 式存储的要求：体积小、功耗低、非挥发、可靠性高以及耐用性好。并且随着 嵌入式技术的发展，硬件设备价格的下降，嵌入式系统存储能力迅速提高，应 用中出现越来越复杂的数据资源需要管理，因此嵌入式文件系统的重要性显得 更加突出。 论文首先概述了嵌入式文件系统和存储卡的应用现状，在l p c 2 2 l o 和c f 卡接口上实现对c f 卡操作的底层驱动，主要包括：对c f 卡的检测、复位、初 始化和对寄存器的操作，提供给上层文件系统调用的接口函数。 对f a t l 6 文件系统进行了适当的裁剪，使之更适合嵌入式系统。为了提高 文件系统的可维护性及模块化程度，将整个系统划分为若干个相对独立的模块， 在整合各个模块的基础上，实现了基于f a t l 6 的嵌入式存储系统。为了满足实 际应用需求，从减少存储器操作的等待时钟、修改底层驱动程序和文件系统实 现函数等多个角度对该存储系统的性能进行了优化。 此外，为了解决文件系统的一致性问题，在比较了同步写和原子更新等恢 复技术的基础上，结合嵌入式存储的自身特点，提出了日志记录的恢复机制。 关键词：嵌入式系统l p c 2 2 1 0c f 卡接口技术 f a t l 6 r e s e a r c ho ni n t e r f a c et e c h n o l o g yo fs t o r a g ec a r d i ne m b e d d e ds y s t e m a b s t r a c t i ne m b e d d e ds y s t e m so fi n d u s t r y ，m i l i t a r y ，p e r s o n a la n do t h e rm a n y a p p l i c a t i o no c c a s i o n s ，t h em e m o r i z e ri su s e dt os t o r eal a r g ea m o u n to fd a t a ，a n d t h ed a t ac a nb ep r e s e r v e dw h e np o w e ri so f f s t o r a g ec a r d sf e a t u r e se x a c t l ym e e t t h er e q u i r e m e n t so fe m b e d d e ds t o r a g e ：s m a l ls i z e ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ， l q o n v o l a t i l e ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dg o o dd u r a b i l i t y a l s o ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h e e m b e d d e dt e c h n o l o g ya n dt h el o w e rp r i c eo ft h eh a r d w a r e ，t h es t o r a g ea b i l i t yo ft h e e m b e d d e ds y s t e mi m p r o v e sr a p i d l y t h e r e r es om a n yc o m p l i c a t e dd a t ar e s o u r c e s n e e dt ob em a n a g e dt h a tt h ei m p o r t a n c eo fa ne m b e d d e df i l es y s t e mw i l lb e c o m e m o r ep r o n o u n c e d t h i sp a p e rf i r s to u t l i n e st h es t a t u so fe m b e d d e df i l es y s t e m sa n dt h e a p p l i c a t i o no fs t o r a g ec a r d s b a s e do ni n t e r f a c eb e t w e e nl p c 2 2 1 0a n dc fc a r d b o t t o m - l a y e rd r i v e ri si m p l e m e n t e df o rm a n i p u l a t i n gc fc a r d ，i tm a i n l yc o m p r i s e s d e t e c t i o n ，r e s e t ，i n i t i a l i z a t i o nf o rc fc a r d ，a n do p e r a t i o nf o ri t sr e g i s t e r s ，a l s oi t p r o v i d e si n t e r f a c ef u n c t i o n sp r o v i d e dt ot h eu p p e rp a r t so f t h ef i l es y s t e m f a t l6i ss c a l e dt om a k ei tm o r es u i t a b l ef o rt h ee m b e d d e ds y s t e m i no r d e rt o i m p r o v em a i n t a i n a b i l i t ya n dm o d u i a r i z a t i o no ft h ef i l es y s t e m ，t h ew h o l es y s t e mi s d i v i d e di n t os e v e r a lm o d u l e s o nt h eb a s i so fi n t e g r a t i o ni na l lm o d u l e s a n e m b e d d e ds t o r a g es y s t e mt h a ti sc o m p a t i b l ew i t hf a t l 6i sa c h i e v e d t om e e tt h e n e e d so fp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h es t o r a g es y s t e mi so p t i m i z e d b ym e a n so fr e d u c i n gt h ew a i t i n g t i m e o fm e m o r y o p e r a t i o n s ，m o d i f y i n g b o t t o m - l e v e ld r i v e ra n df u n c t i o n s i na d d i t i o n ，i nc o m p a r i s o nw i t hs y n c h r o n o u sw r i t e sa n da t o m i cu p d a t e s ， c o n s i d e r i n ge m b e d d e ds t o r a g ec h a r a c t e r i s t i c s ，i tp r e s e n t sl o gr e c o r dr e c o v e r y m e c h a n i s mf o rc o n s i s t e n c yo ft h ef i l es y s t e m k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m ；l p c 2 2 1 0 ；c fc a r d ；i n t e r f a c et e c h n o l o g y ；f a t l 6 n 插图清单 图2 - 1l p c 2 2 1 0 的结构框图一6 图3 1c f 卡功能模块图9 图4 1l p c 2 2 1 0 与c f 卡接线图1 7 图4 - 2c f 卡驱动的结构视图1 8 图6 1 嵌入式文件系统的逻辑结构图3 2 图6 ，2 加载底层驱动程序流程图3 4 图6 3 打开逻辑扇区流程图3 6 图6 4 格式化流程图3 8 图6 - 5 获取指定簇的下一个簇号流程图3 9 图6 - 6 搜索空闲簇的示意图4 0 图6 7 为簇链增加一个簇号的流程图4 0 图6 - 8 获取指定目录指定f d t 信息流程图4 l 图6 - 9 添加f d t 表项流程图4 2 图6 1 0 建立目录的函数流程图4 4 图6 1 1 删除文件操作的流程图4 5 图6 1 2 写数据到文件函数的流程图4 6 图7 - 1 故障恢复处理流程图5 7 表格清单 表3 1c f 卡在t r u e1 d e 模式下的引脚信号描述1 0 表3 2 t r u ei d e 模式下寄存器地址1 2 表4 1 l p c 2 2 1 0 的g p i o 引脚与c f 卡引脚连接1 7 表4 2 系统硬件g p i o 接口函数1 8 表4 3 读写c f 卡寄存器的函数1 9 表4 - 4c f 卡识别及初始化函数2 0 表4 - 5 执行a t a 指令函数2 1 表4 - 6 操作a 1 r a 设备的a p i 函数2 1 表5 一l 引导扇区和b p b 结构2 3 表5 2 从偏移量3 6 开始的f a t l 2 和f a t l 6 结构2 6 表5 3f a t l 6 的f a t 表项中值的含义2 8 表5 - 4r 玎1 6 目录项的结构表2 9 表6 1逻辑盘信息管理模块的接口函数3 3 表6 - 2 缓存管理模块接口函数3 5 表6 - 3 格式化管理模块的接口函数3 7 表6 - 4 文件分配表管理模块的接口函数3 8 表6 - 5文件目录表管理模块接口函数4 0 表6 - 6目录管理模块的接口函数4 3 表6 - 7 文件管理模块的接口函数4 5 表6 8 用于计时的函数4 7 表6 - 9 最初文件系统的读写性能4 8 表6 1 0 存储器组配置寄存器0 3 的定义4 8 表6 一“修改b c f g o 引起对扇区读写性能测试表4 9 表6 1 2 对读写函数修改前后系统性能测试表5 0 表6 1 3 底层读写函数修改前后性能测试表5 2 表6 - 1 4 a 王a _ w r i t e s e e t o r ( ) 函数及其内部函数执行时间5 2 表6 - 15 修改函数对系统性能的影响5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得盒胆王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者擀波弘字嗍妒本n “日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥目b 工些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 佥妲王些盍 ! l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲j 石- 多导师繇能砌 导师签名：l ? 9 夏锄 签字日期：p t 彩年，月z 日 签字日期：以年f 月名日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 在我攻读硕士研究生的这三年的时间里，无论是开始的公共课和专业课学习，还 是后来的资料分析、课题选择和研究，以及最后的数据分析整理和毕业论文的撰写， 都得到了我的导师陆阳教授的悉心指导和耐心帮助。导师严谨务实的治学精神，细致 入微的科研作风，深厚渊博的知识底蕴，一丝不苟的做人原则给了我莫大的启发和激 励，培养了我的严谨态度和科研精神。此外，导师还在生活方面给予了我无微不至的 关怀，在做人方面给予了我循循善诱的教导。可以这样说，我在这期间获得的丝毫进 步和提高都是导师言传身教的结果。导师是我终生尊敬的师长、学习的榜样。谨在此 表达我最深切的谢意! 同时还要感谢计算机与信息学院王新生、曹航等老师，谢谢你们给予的帮助。 在几年的学习生活中，在程序的调试过程中，以及在本文的分析、组织、撰写和 修改过程中，得到了袁菲、闵信余、周正、徐勇、谢柯等同学们的大力支持、鼓励和 帮助。在此一并表示由衷的谢意! 感谢所有关心和帮助我的朋友们! 衷心感谢评阅、评审、出席论文答辩会的各位专家在百忙中所给予的悉心指导t 感谢我爱人和家人! 他们是我生活和学习的永远动力。 i l l 作者：海深 2 0 0 6 年5 月 1 1 引言 第一章绪论 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、 监视或辅助设备、机器和车间运行的装置”。这主要是从应用上加以定义的，由 此可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，可以涵盖机械等附属装置。不 过，上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内一个普遍被认同 的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用 系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。 在嵌入式系统的应用的许多场合需要存储器来存储大量的数据，而且要求 断电时能够保存数据。但是一些单片机或嵌入式系统的存储器芯片的存储容量 有限，在使用大量数据的场合难以满足需求。而扩展传统的存储器r a m 在断电 时又不能保存数据，虽然e p r o m 等存储器断电时可以保存数据，但往往因为存 储空间小、寻址能力不足、价格过高等诸多因素而受到限制。 在嵌入式系统中实现对数据的存储是个热点问题，从带后备电源的s r a m 、 铁电存储器的出现，到i b m 小硬盘的使用等。当基于f l a s h 技术的存储卡出现 以来，由于它的体积小、功耗低、非挥发、可靠性高以及耐用等特点，特别适 合于嵌入式系统，在手机、p d a 及数码相机等嵌入式设备中存储卡有着广泛的 应用。 1 2 本文研究工作背景 本文研究源于合肥工大高科信息技术有限责任公司的“h j 0 8 a 机车无线作 业信息系统”。 机车无线作业信息系统是在无线数据传输功能的支撑下，由一台或若干台 设备组成，通过兼容的数据格式和接口，实现对机车作业过程的数字化信息进 行统一处理、记录、重演等功能的信息处理系统。机车无线作业信息系统主要 设备构成包括：无线集群基站、通信服务器、计划管理机、机车信息平台和汉 显调车手持机。机车信息平台的功能包括三大部分：无线作业计划接受、平面 调车、机车状态监测和记录。其中的机车状态监测仪具有数字录音的功能，要 求将主、副司机之间根据操作规程进行的呼唤应答、主司机和调度中心的通话 以及调度组内成员之间的通话进行数字化录音。 考虑到容量、现场环境、功耗等多种因素，以f l a s h 技术为介质的存储卡 非常适合在该系统中作为外存存储语音数据。为了方便上位机对卡上数据进行 处理，将一种通用的文件系统引入存储卡是一个比较理想的方案。 1 3 相关技术研究现状 1 3 1 嵌入式文件系统 1 3 1 1 嵌入式文件系统概述 嵌入式文件系统是一个管理嵌入式操作系统的文件输入输出和操作的功 能模块，它提供了一系列功能强大的文件输入输出及文件管理功能，为办公设 备，通讯设备，工业控制，医学电子，交通设备和移动设备等嵌入式系统和设 备提供文件系统支持。 实时应用要求迅速，可靠的操作系统支持。嵌入式文件系统通过低代价的 i o 功能提供这种支持，它包括许多快速，高效，简捷的功能。这就使得一个 应用程序可以快捷有效地完成它只需要的那些功能。 1 3 1 2 主流嵌入式文件系统概况”1 国外的流行嵌入式操作系统产品基本上都有成熟的文件系统，以下是几个 主流的嵌入式操作系统的文件系统组件的概况： o n x 被称为最好的x 8 6 平台上的嵌入式操作系统，它提供了多种资源管理 器，包括各种文件系统和设备管理，支持多个文件系统同时运行，包括提供完 全p o s i x 1 及u n i x 语法的p o s i x 文件系统，支持多种闪存设备的嵌入式文件系 统，支持对多种文件服务器( 如w i n d o w sn t 9 5 、l a n m a n a g e r 等) 的透明访问的 s m b 文件系统、f a t 文件系统、c d r o m 文件系统等。 市场占有率第一的v x w o r k s 提供的快速文件系统( f f s ) 适合于实时系统应 用。它包括几种支持使用块设备( 如磁盘) 的本地文件系统。这些设备都使用一 个标准的接口从而使得文件系统能够被灵活地在设备驱动程序上移植。另外， v x w o r k s 也支持s c s i 磁带设备的本地文件系统。y x w o r k s 支持四种文件系统： f a t ，r t l l f s ，r a w f s 和t a p e f s 。另一方面，普通数据文件，外部设备都统一作 为文件处理。它们在用户面前有相同的语法定义，使用相同的保护机制。 p s o s 文件系统管理称为p h i l e + ，它提供了文件系统管理和对块存储设备 的管理。p s o s 可以通过p h i l e + 有效地访问各种不同的存储设备，包括本地设 备和网络设备。文件系统支持包括c d - r o m 设备、f a t 兼容的文件系统和 p s o s y s t e m 特有的快速文件系统。 v r t x 提供的文件系统组件是i f x ，它支持f a t 、n f s 、c o r o m 等文件系统， 提供统一设备接口管理。 在自由软件方面，l i n u x 和l y n x o s 均提供了实时的类u n i x 层次结构文件 系统。 2 国产的嵌入式操作系统中，h o p e n 提到了“文件系统管理组件”的概念 但是没有更进一步的说明。 1 3 2 存储卡技术 以f 1 a s h 技术制造的存储卡近年来得到了快速和大量的应用。在所有存储 卡中c o m p a c t f l a s h ( 简称c f ) 卡由于推出时间早，存储容量大，与微处理器接口 灵活性强，读写速度快等特点，在嵌入式系统中应用已经非常广泛”“。 从8 位、1 6 位到3 2 位的微处理器，都有c f 卡与之接口的应用。8 0 c 5 1 等 多种单片机、m p c 8 2 5 0 等多种嵌入式微处理器，还有d s p 都有与c f 卡接口的相 关研究”8 ”。随着a r m 系列微处理器在3 2 位嵌入式市场中高达7 5 的占 有率，a r m 已经成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案的 事实标准，将c f 卡与基于a r m 的处理器进行接口设计变得非常必要。从目前的 资料来看，相关的研究也已出现并逐渐增加“”1 。 1 4 本文内容安排 本文详细讨论了存储卡接口及嵌入式文件系统的实现细节。 第一章对相关背景进行概述。介绍了f l a s h 存储介质适合嵌入式系统存储的原 因、本文研究工作的背景和相关技术的现状。 第二章a r m 和l p c 2 2 1 0 。概述了a r m ，并对a r m 7 微处理器的特征进行了描述，最 后对本文使用的l p c 2 2 1 0 微处理器的特性和结构进行了比较详细地介绍。 第三章c f 卡。首先对基于闪存介质的存储卡进行了介绍，指出了c f 卡的特点， 然后分别对c f 卡的物理层结构、引脚和电气接口进行了说明，然后着重解释在t r u e i d e 模式下c f 卡的各个寄存器。 第四章l p c 2 2 1 0 和c f 卡的接口实现。首先介绍了l p c 2 2 1 0 和c f 卡的接口设计， 然后在该接口的基础上实现了对c f 卡的底层驱动，完成对c f 卡的基本操作，并对底 层驱动程序进行了必要的分析。 第五章f a t 文件系统。对f a t 文件系统尤其是对f a t l 6 文件系统的结构和有关域 值的含义进行了介绍。 第六章嵌入式文件系统的实现。将嵌入式文件系统从功能上分为相对独立的多 个模块，对各个模块分别予以实现，最后对整个系统的性能从多个角度进行优化，并 对优化前后的性能进行了比较。 第七章故障恢复模块的研究。说明了故障恢复的重要作用，在分析其它的恢复 技术后，提出了日志记录的恢复机制，并对该机制进行了详细地分析。 第八章总结。对整个工作进行总结，讨论了收获与不足，并提出今后研究的方 向。 第二章a r m 以及l p c 2 2 1 0 介绍 2 1a r m 微处理器介绍 2 1 1a r m 微处理器概述 1 9 9 1 年a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司成立于英国剑桥，主要出售 芯片设计技术的授权。目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即 通常所说的a r m 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网 络系统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到生活的各个方 面。 2 1 2a r m 7 微处理器特征 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功 耗要求较高的消费类应用。a r m 7 微处理器系列具有如下特点： 具有嵌入式i c e r t 逻辑，调试开发方便。 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 能够提供0 9 m i p s m h z 的三级流水线结构。 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e 、l i f l u x 、p a l mo s 等。 指令系统与a r m 9 系列、a r m 9 e 系列和a r m i o e 系列兼容，便于用户的产 品升级换代。 主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应 用。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e r n e t 设备、网络和 调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i 、a r m t t d m i - s 、 a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 。其中，a r m 7 t d m i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处 理器，属低端a r m 处理器核。t d m i 的基本含义为： t ：支持1 6 位压缩指令集t h u m b ； d ：支持片上调试： l ：增加6 4 位乘法指令： i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点。 2 2l p c 2 2 1 0 的介绍 2 2 1l p c 2 2 1 0 概述 l p c 2 2 1 0 是p h i l i p s 公司的一款基于支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位 a r m t t d m 一s “c p u 的微处理器。 l p c 2 2 1 0 的1 4 4 引脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c ， p w m 通道以及商达9 个外部中断使得它特别适合工业控制、医疗系统、访问控 制和p o s 机。 根据总线的配置，l p c 2 2 1 0 提供高达7 6 个g p l 0 ( 通用输入输出) ，由于内 置了大范围的串行通信接口，它也非常适合用于通信网关、协议转换器、嵌入 式软m o d e m 以及其他通常的应用。 2 2 2l p c 2 2 1 0 的特性 l p c 2 2 1 0 的特性如下： 1 4 4 引脚的l o f p 封装的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i - s “c p u 的微处理器。 1 6 k b 的片内静态r a m 。 串行b o o t 装载程序通过u a r t o 提供在系统下载和编程功能。 嵌入式i c e r t 和嵌入式跟踪接口使用片上实时监视软件能够实时调试， 获得对指令执行的高速实时跟踪。 8 路1 0 位a d 转换器，耗时不到2 4 4us 。 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) ，p w m 单元( 6 路输出) ， 实时时钟和看门狗。 多个串行接口，包括2 个u a r t ( 1 6 c 5 5 0 ) ，快速i2 c ( 4 0 0 k b p s ) 和2 个 s p i 接口。 可配置优先级和向量地址的向量中断控制器。 可配置外部存储器接口，最多可配置4 组，每组可高达1 6 m b ，可用数据 宽度为8 1 6 3 2 位。 多达7 6 个通用i o 引脚( 可承受5 v 电压) ，可使用9 个边沿或水平检测 外部中断引脚。 通过对片上p l l 的编程可以获得最大6 0 m h z 的c p u 时钟频率。 片上晶振频率范围为l 3 0 m h z 。 2 个低功耗模式：空闲和掉电。 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 可通过独特的使能禁能外部功能来优化功耗。 支持双电压： _ c p u 操作电压范围：1 6 5 1 9 5 v ( 1 8 v 0 1 5 v ) ： i 0 操作电压范围：3 o v a 3 6 v ( 3 3 v 1 0 ) ，在5 v 范围内i 0 衬 垫上。 2 2 3l p c 2 2 1 0 的结构图 图2 - 1l p c 2 2 1 0 的结构框图 注：1 与g p i o 共用 2 ( 1 ) 当使用测试调试接1 ：3 时，麸用这些引脚的g p i o 及其他功能都不可用 l p c 2 2 1 0 的结构框图如图2 一l 所示，它包含一个支持仿真的a r m 7 t d m i s c p u 、与片内存储器接1 2 的a r m 7 局部总线、与中断控制器接口的a m b a 高性能总 6 线( a h b ) 和连接片内外设功能的v l s i 外设总线( v p b ，a r ma m b a 总线) 。l p c 2 2 1 0 将a r m t t d m i - s 配置为小端( l i t t l e e n d i a n ) 字节顺序。 a h b 外设分配了2 m b 的地址范围，它位于4 6 ba r m 存储器空间的最顶端。 每个a h b 外设都分配了1 6 k b 的地址空间。l p c 2 2 1 0 的外设功能( 中断控制器除 外) 都连接到v p b 总线。v p b 外设也分配了2 m b 的地址范围，从3 5 g b 地址开 始。每个v p b 外设在v p b 地址空间内都分配了1 6 k b 地址空间“”“。 3 1 存储卡概述 第三章c f 卡 由于闪存存储数据的自身优势以闪存作为存储介质的闪存卡占据了越来 越多的应用比例。相对传统的e e p r o m 芯片，这种芯片可以更快速的擦写，所以 一般也称为“快擦写”存储器，或称为f 1 a s h 存储器。f 1 a s h 存储器主要有n o r 和n a n d 两种技术。由于快擦写存储器不需要存储电容器，故其集成度更高，制 造成本低于d r a m 。它使用方便，既具有s r a m 读写的灵活性和较快的访问速度， 又具有r o m 在断电后可不丢失信息的特点，所以发展迅速，在嵌入式系统中的 应用也越来越广泛。 目前的存储卡主要有c f 卡、s l 卡、m m c 卡、s d 卡、x d 卡、记忆棒等几种。 c f ( c o m p a c t f l a s h ) 卡。最早由美国s a n d is k 公司于1 9 9 4 年率先推出。c f 卡同时支持3 3 伏和5 伏的电压，任何c f 卡都可在这两种电压下工作。c f 闪 存卡有两种型号：c ft y p ei 和c ft y p ei i 。c f 闪存卡的插槽可以向下兼容， 即i i 型卡可以用在i 型卡的插槽上，反之不行。由于推出比较早，再加上容量 相对较大，c f 卡有较大的市场占有率“。 s m ( s m a r t m e d i a ) 卡。由东芝公司于1 9 9 5 年1 1 月发布。s m 卡自身没有控制 器，它是非常简单的闪存卡，由塑胶制成( 被分成了许多薄片) ，仅仅是将存 储芯片封装起来，控制器需内置于主机，所有的读写操作完全依赖于使用它的 设备。由于s m 卡的控制电路是集成在主机当中，这使得它的兼容性容易受到影 响，往往出现格式互不兼容的现象。早期的s m 卡的工作电压为5 v ，后来发展 为3 3 v ，两者并不兼容。因为不带控制器，成本相对较低。 m m c ( m u t l i m e d i a ) 卡。由s a n d i s k 和西门子于1 9 9 7 年联手推出。内置了控 制电路；构架更为简单，兼容性好，相互不同的设备之间是可以通用的。m m c 的操作电压为2 7 伏到3 6 伏，读写电流为2 7 2 3 m a ，比c f 卡的功耗大约降 低了3 0 。m m c 读写接口可以在m m c 和s p i 两种通信协议下工作“。 s d ( s e c u r ed i g i t a t ) 卡。由松下、东芝和s a n d i s k 联手推出，1 9 9 9 年8 月 首次发布。s d 卡数据传送和物理规范由m m c 发展而来，与m m c 卡保持着向上兼 容。s d 卡引入了数据保密机制，它将d v d 的保密技术移植到闪存设备中来，数 据加密存储，有利于保护数据安全和知识产权“。 记忆棒( m e m o r ys t i c k ) 。由索尼于1 9 9 7 年7 月独家发布的闪存卡，1 9 9 9 年1 2 月推出新的m a g i e g a t e 记忆棒中，加入了称为m a g i c 的索尼专利版权保护 技术，遵从s d m i 的标准。因外形尺寸大小的不同，又分成三种规格，即m e m o r y s t i c k 、m e m o r ys t i c kp r o 、m e m o r ys t ic kd u o 。 x d ( x t r e m ed i g i t a l ) 卡。由奥林巴斯、富士和东芝联合开发专为数码相机 开发的新型介质，特点是体积小、容量大。外观尺寸在现有的小型存储卡中是 最小的，而且其兼容性和存储容量较传统的闪存卡优势很明显。x d 卡内部也不 含控制芯片。 3 2c f 卡存储特点与应用 集成了多片的f l a s h 存储器和外部接口、控制机构和协议的c f 卡可提供相 当可观的存储容量和标准的电气接口协议，可以满足大容量数据处理的要求。 c f 卡在很小的体积内集成了控制装置、f 1 a s hm e m o r y 阵列和读写缓冲区。 实际上，控制装置起到了协议转换的作用，将对f l a s hm e m o r y 的读写转化成对 a t a 协议控制器的访问。c f 卡对于缓冲区的设计使用了一种双缓冲结构，在外 部设备和c f 卡通信的同时，使c f 卡的片内m c u 可对f l a s hm e m o r y 阵列进行读 9 。这种设计可以增加c f 卡数据读写的可靠性，同时提高数据通信速率。 3 3c f 卡物理层结构 c f 存储卡内嵌入了控制器及闪存模块，其大小如同火柴盒，连接口为2 5 针双排的母插口，点距为5 0 m i l ( 1 2 7 m m ) 。c f 卡内部结构模块图如图3 - 1 所示。 3 4 c f 卡电气接口 3 3 1 物理描述 图3 1c f 卡功能模块图 主控制器通过一个5 0 针的连接器与c f 卡连接。连接器为每排2 5 针 ( 1 2 7 m m ) 的公插头。 3 3 2 电气描述 c f 卡的f l a s hm e m o r y 模块属顺序读取设备，主机读写c f 卡数据一律以数 据块的方式进行，不允许字节操作，这一点与磁盘读写操作非常类似，支持3 种工作模式：i o 模式、m e m o r y 模式和t r u ei d e 模式”1 。 m e m o r y 模式：在该模式下，任务寄存器映射到通用存储器空间( r e g = i ) 。 此时，任务寄存器的地址范围为：o f h 。当r e g = 0 时，卡的属性寄存 器将被访问。 i o 模式：在该模式下，任务寄存器被映射到i o 地址空间。此时有3 种地址范围可以选择：x x o h x x f h ( 邻近i o ) ：1 f o hi f 7 1 1 ( 主i d e ) ； 1 7 0 h 1 7 7 h ( 从i d e ) 。c f 卡的属性配置寄存器的值决定了任务寄存器 是映射到通用存储器空间，还是3 个i o 地址范围中的1 个。默认的 任务寄存器映射到通用存储地址空间。 t r u ei d e 模式：在这种模式下，任务寄存器也是映射到i o 地址空间。 如果0 e ( a t a s e l ) 引脚在上电的时候被接地，则选中了t r u ei d e 模式。 此时，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 ti o n a l a s s o c i a t i o n 又称p cc a r d ) 协议及配置被禁止，仅允许对任务寄存器 及数据寄存器的i 0 操作。主要任务寄存器地址：0 7 h 。 其中的t r u ei d e 模式与大多数磁盘驱动器兼容。表3 - i 分别描述了c f 卡 在t r u ei d e 模式下的各个引脚的功能。 表3 - 1 c f 卡在t r u e i d e 模式下的引脚信号描述 信号名方引脚 描述 向 a 1 0 0 0i8 、1 0 、l l 、 在t r u e i d e 模式中，a 2 ：0 1 , - 7 用来选择t a s k 1 2 、1 4 、1 5 、 f h e ( 任务文件) 中8 个寄存器中的一个， 1 6 、1 7 、1 8 、 其他的地址线应该被主控制器设置为接地 1 9 、2 0 p d i a gi ，o4 6 在t r u ei d e 模式下，诊断信号可通过主从 握手协议输入，输出 d a s pi 0 4 5在t r u ei d e 模式中，磁盘启动，从盘就绪信号 可通过主从握手协议输入输出 面、面o2 6 、2 5 c f 卡这些卡检测引脚接地。它们被主控制 器用来检测c f 卡是否完全插进插槽 丽、两i7 、3 2 在t r u e i d e 模式中，当硬盯用来选择辅助状 态寄存器及设备控制寄存器时，礴西为任务 文件寄存器的片选信号 1 0 芒瓯 i3 9 卡内部该引脚上拉信号控制设备。当引脚接 地，设各被配置为主模式；当引脚为空，设 备被配置为从模式 d 1 5 d 0 0i o3 1 、3 0 、2 9 、 当所有的数据通过d 1 5 ：o 】进行1 6 位传输 2 8 、2 7 、4 9 、 时，任务文件寄存器在总线低位d 7 ：0 】上 4 8 ，4 7 、67以字节方式操作 5 、4 、3 、2 、 2 3 、2 2 、2 l g n dl 、5 0地 保留 o4 3 在t r u ei d e 模式中，该输出信号无效无 需与主控制器连接 l o r di3 4读c f 卡寄存器信号引脚 而阐贰i3 5 写c f 卡寄存器信号引脚 a t a s e li9 为了使能t r u ei d e 模式，该输入信号线因 被主控制器接地 i n t r q o3 7 在t r u e d e 模式中，该信号对主控制器发 出中断请求 保留l4 4 该输入信号无效，应被置为高或通过主控制 器连接至v e c 司罪露ti4 1 在t r u ei d e 模式中，通过主控制器，该输 入引脚低电平复位 v c c 1 3 、3 8+ 5 v 、+ 3 3 v 电源 v g t 、v 豇o3 3 、4 0 c f 卡工作电压控测信号。v 豇接地，可使 c f 卡在3 3 v 下被读取，v 甄保留 冗原瓦yo4 2 在t r u ei d e 模式中，该输出信号可当作 i o r d y 信号使用 w ei3 6 在t r u ei d e 模式中，该输出信号无效，可 通过主控制器接v c e l o i s l 6o2 4 在t r u ei d e 模式中。当设备为一个字( 2 个字节) 数据传输周期时，该输出信号为低 3 3 3 电气接口 在t r u ei d e 模式下，c f 卡的许多引脚是不需要与主机连接的，不需要与 主机连接的引脚有些应当接高电平，有些应当接地，有些是可以悬空的。 在t r u ei d e 模式下，c f 卡的d 0 d 1 5 、a o a 2 、c s 0 、两、葡丽、丽、 r 两丽是最基本的连接信号线，面可、可西可探测c f 卡是否插入，其他的没有连 接的信号线是可以选用的。 3 3 4t r u ei d e 模式i o 传输功能 c f 卡能够被设置在t r u ei d e 模式下进行操作。设置卡为t r u ei d e 模式仅 需在卡上电的过程中使丽( 丽丽) 输入信号引脚接地。 在t r u ei d e 模式下，p c m c i a 协议及配置被禁止，仅允许对任务文件及数 据寄存器进行i o 操作。在这种模式下，主控制器无法操作存储体及属性寄存 器。如果用户使用了设置特征指令可以使c f 卡进入8 位模式，那么c f 卡就可 以进行8 位数据存取。 3 5c f 卡t r u ei d e 模式软件接口 在t r u ei d e 模式下，除了数据寄存器一般为1 6 位外，其他所有的寄存器 均为8 位。但是通过a t a 指令集中的设置特征指令，数据寄存器也可以被配置 位8 位数据传输。 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 ) 指令集又称为1 d e ( i n t e g r a t e d d r i v ee 1 e c t r o n i c s ) 指令集，是主机对a t a 设备进行操作的命令的集合“”。 下表列出了t r u ei d e 模式下寄存器的地址。 表3 - 2 t r u ei d e 模式下寄存器地址 c s lc s 0 a 0 2 a 0 l a 0 0l 硒= 0i o w r = o 注 1 0 o00r d 数据 w r 数据 8 位或 1 6 位 1ooot 错误寄存器特征8 位 1o01o 扇区计数扇区计数8 位 1o011 扇区号扇区号8 位 1o1oo 低柱面低柱面8 位 1010 1高柱面 高柱面 8 位 1011o 设备磁头设备磁头8 位 l o 1l1 状态命令8 位 0l11 0a l t 状态设备控制8 位 3 4 1 数据寄存器 数据寄存器是可读写寄存器，其默认为1 6 位数据，但是可以通过特征设 置指令设罱为8 位总线。主机在进行p i o ( p r o g r a m m e di n p u to u t p u t ，即可编 程输入输出) 数据传输过程中，只有当状态寄存器( 辅助状态寄存器) 中的d r q 位为i 和丽丽f 无效时，数据寄存器中数据才有效。 通过读该寄存器，就可以实现p i o 数据输出( 从卡到主机)