原创 单片机读写U盘CF卡开发心得

刚做完一个项目，要求将人体心电信号采集下来，存储到海量存储设备中，可以用U盘也可以用CF卡。这个项目的难点不在采集，只要做好信号放大、滤波防干扰，就可以保证信号采集的正确性。而难点在于数据的存储，要求患者将24小时甚至更长时间的所有心电信号都存储下来，按照10ms采集一次数据那么一个小时就要400K，一天的数据存储量需要<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />9.6M。因此一般的静态E2满足不了使用的要求，有些情况下，设备要求能够连续使用一个礼拜，而数据不能丢失，因此必须选用一个大存储量器件。我们在这个项目中选择的是U盘，当然我的一个师弟采用的CF卡也完成了数据的存储。所谓U盘就是一个带有USB接口的硬盘，如果去掉USB接口芯片，U盘内部和CF卡和普通的PC硬盘结构一样。因此很有必要研究一下硬盘的物理结构和数据分布结构。其实很多同行，也遇到过如此问题，在这里我将我的使用心得和大家交流一下，如果有何意见可以交流：jiangfuting@163.com，我有些简单的小程序可以提供给大家。我向大家推荐一本书《硬盘扇区读写技术》，当然这本书前60页讲得很详细，很有意义，至于这本书后面部分，建议大家就不要看了，呵呵，www.jnmcu.com 也有一些不错的资料，大家可以参考。其实单片机读写硬盘，关键是按照FAT格式读写硬盘，说白了，就是单片机要按照PC机WINDOWS的规矩来办事。我想在这里将我这个项目的心得和大家谈一下，如果有不对的地方，还请高手指正。我把单片机或者ARM读写U盘分为两种方式，就是FAT格式和非FAT格式，这里的“非FAT格式”是我自己发明的一个词，后面的部分，我还要详细的阐述。<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

1.非FAT格式下，读写U盘如果我们不按照FAT格式读写U盘的话，其实很简单，我在以前的帖子中也一再坚持，就是将CF卡和U盘当作一个无限大的外部RAM，那么这种模式下，U盘和CF卡与普通的外部扩展RAM的区别就仅仅是读写U盘的时候，不能一个字节一个自己的来，必须一次512B，不能通过地址总线找到每一个RAM字节的存放地址，而必须是一个扇区一个扇区的来。如果能够接受这一点，那么，你就可以通过单片机读写U盘了。当然这还需要主意一些问题，就是你不能随意的存储和读写你的数据，你必须接受U盘的要求。其实这些要求也很简单，就是不能往FAT表的扇区写任何数据，否这，你的U盘就崩溃了，在WINDOWS下就识别不出来了，我就干过这种事情，往U盘的FAT表和FAT备份表写了一数据，最后的结果是U盘往PC机的USB口一插，计算机就死机，原因就是WINDOWS不能识别U盘，而U盘本身没有坏，就是说USB通信没有问题，有问题的是FLASH的扇区，让我写坏了，而写坏的部分恰恰是FAT表，这是一个灾难性的错误，解决的办法就是凭着各种资料，把FAT表的格式和数据通过单片机再写回去，呵呵，我用了一个上午的时间来拯救我那可怜的U盘。如果你注意了以上的问题，那么好，就可以准备用单片机读写U盘了。前面我也说了，用单片机读写U盘，必须一个扇区一个扇区的来。也就是说，我们读写的最小单位就是一个扇区512B。那么就必须要求你的单片机能够提供至少512B的RAM，我这里选用的是STC89C54RD，这个单片机能够满足我的要求，此单片机具体的信息可以查询，就不给厂家做广告了。那么就是读写的地址的问题了。此中模式下，最关键的问题就是用单片机把数据存进去，或者读出来，那么我们这个地址怎么设置，如果用汇编51的话，就是DPL1,DPH1，DPL0,DPH0怎么设置应该设置成什么？其实这也就是FLASH的地址，就是U盘数据的存放地址，如果我们用4个8位的数据来表示所有的FLASH的话，就是FFFFFFFF,那么我们寻址的范围就是200G，这么大的空间，我们怎么确定呢，www.jnmcu.com有些资料，可以查看。我在这里简单的说明一下：单片机写入地址=相关扇区号+32   转换成4个十六进制就可以，就是单片机的外部访问地址。其中最关键的就是相关扇区号，硬盘的存储单位不应该是扇区，而是“簇”,而单片机读写地址的关联却是扇区，应此我们还必须找清楚簇号和扇区号的关系。这种关系的找法有很多中，我参考了大量的资料总结了一下，就是FAT表的第一个扇区和第一个簇指的是同一个地方，哈哈，有的读者已经明白了，既然第一个扇区和第一个簇指的是同一个地方，那么他们的计算公式一相等，就可以得出簇和扇区的关系，在这里我总结的关系是:数据首扇区地址＝（文件起始簇号－根目录簇）*每簇扇区数目+根目录扇区,这个关系是一个 不变的关系，不管你是8M的U盘或者CF卡，还是200G的硬盘，这个关系肯定不变，有了这个关系，我们就可以根据簇琏来找扇区，找到扇区，转换成4个16进制的数据，就是单片机的读写地址了。至此就完成了单片机读写U盘的所有准备工作。但是这种模式下读写出来的数据不是FAT格式，但是却是一种实用，简单的读写方式，我觉得这种方式很好。

2.FAT格式下单片机读写U盘/cf卡我在做这个项目的时候将大部分时间都花在研究硬盘的FAT分区格式上，因为U盘和CF卡的物理结构和数据分布结构和PC硬盘的结构完全一样，而又没有系统的资料和书来介绍U盘的结构，所以我就仔细研究了一下硬盘的数据结构，WWW.JNMCU.COM 有一些U盘的资料，也不是太全面。通过仔细的查看硬盘的结构，我们就会发现硬盘的分布结构是固定的，有它自己的规律，我们掌握了这种规律就可以一步一步来分析。现在有很多厂家和公司提供单片机读写U盘的子程序库，我当时看一下，不大喜欢他们做的程序库，首先他们的程序不公开，也就是说，我们想学习的话，只能学习他们子程序的用法，再有，他们做的容错机制太多，做的处理太负责，应此光光他们的程序库就20多K，而我们单片机的硬件资源是很有限的FLASH都不是太大，我们还要留着自己的代码空间进行数据处理，应此，子程序库我不推荐使用。我觉得，找到其中的规律按照规律编写自己的代码是很方便的。也有的同仁要说，你做的程序稳定吗？可靠吗？FAT需要很多容错机制的，我想说，没用，一旦出了错，就是在好多容错机制都已经于事无补了，最好的办法，就是做好系统后，自己多测试，我做的便携式心电监护仪，一次采集30M的数据，数据格式就是1.TXT，就是一个记事本，我联系测试了1个月，没有发生一次数据存储不稳的情况，现在这个产品已经广泛应用在医疗设备中。所以，不要说你考虑的了就是好事，我认为，先作出来，然后多做测试，自己心中就不会心虚。现在详细的将一下FAT的数据结构。硬盘的物理结构应该是FAT表的BPB表－FAT表－FAT表的备份表－FDT表（根目录扇区）－DATA区。找到这些规律，我们关心其实就是DATA区。进行寻址的方式就是簇琏寻址的方法。首先要找到U盘的FAT表的BPB表，这里有U盘最基本的信息，包括每扇区自己数，每簇扇区数，保留扇区数，FAT表的数目，每个FAT表的扇区数，根目录其实簇号等最基本最重要的信息。找到这个信息后，通过扇区和簇的关系（前面已经将过），就可以找到文件的FDT表的第一个扇区的第一个簇，找到这些数据以后就号办了。就可以按照硬盘的簇琏寻址方法进行读写了。  以上是本人在开发便携式心电监护仪中单片机读写U盘的一点心得和开发笔记，希望行家里手多多指正，也希望刚刚开始开发的同行多多交流