用单片机构建带usb接口的cf读卡器
第１１卷第６期２００５年１２月
上海大学学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＳＨＡＮＧＨＡＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮＡＴＵＲＡＬＳＣＩＥＮＣＥ）
ｖｏｌ１ｌＮｏ．６
Ｄｅｃ２００５
文章编号：１００７—２８６１（２００５）０６－０５７０．０４
研究简报?
用单片机构建带ＵＳＢ接口的ＣＦ读卡器
吴伟１，马文丽ｋ２，梁斌１，郑文岭１’２
（１上海大学电子生物技术研究中心，上悔２０００７２；２．南方医科大学基因工程研究所，广州５１０５１５）
摘要：介绍了ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈｃａｄ（以下简称为ＣＦ扛）的性能特点，在此基础上，用单片机实现了基于ＵＳＤｌ．１协议的ＣＦ帚接口，能够读取各种型号的ｃＦ卡，可作为通用的ｃＦ读卡器．
关键词：单片机；ＣＦ卡；通用串行总线
中国分类号：ＴＰ３６８文献标识码：Ａ
ＤｅｓｉｇｎｏｆＣＦＣａｒｄＲｅａｄｅｒｗｉｔｈＵＳＢＩｎｔｅｒｆａｃｅＵｓｉｎｇ
Ｓｉｎｇｌｅ－ＣｈｉｐＭｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ
ＷＵＷｅｉ’，ＭＡＷｅｎ－ｌｉ’一，ＬＩＡＮＧＢｉｎｌ，ＺＨＥＮＧＷｅｎ－ｌｉｎ９１’２
（１ＢｉｏｅｌｅｃｔｍｎｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒ，ＳｈａｎｇｈａｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，，‰＃‰２０００７２，Ｃｋ（ｔｍ；
２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｎｅｔｉｃＥｎｇｉｎｅｅｆｉｎｇ．ＮａｎｆａｎｇＭｅｄｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎ础ｌｏｕ５１０５１５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ０１１ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈＣａｒｄ（ＣＦＣａｒｄ），ｔｈｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｂｅｔｗｅｅｎａｓｉｎｇｌｅ—ｃｈｉｐ
ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒａｎｄｔｈｅＣＦｃａｒｄｉｓｓｔｕｄｉｅｄａｎｄ
ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏ
ｔｈｅＵＳＢｐｒｏｔｏｃｏｌｖｅｒｓｉｏｎ１．１．Ｔｈｉｓ
ｉｎｔｅｆｆａｃｅｃａｌｌｒｅａｄｄａｔａｆｒｏｍａｌｌｋｉｎｄｓｏｆＣＦｃａｒｄ．ｔｏｂｅｕｓｅｄａｓａｌｌｕｎｉｖｅｒｓａｌＣＦｒｅａｄｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｇｌｅ－ｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ；ＣＦｃａｒｄ；ＵＳＢ（ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓ）
在数据采集、图像语音处理等场合，经常要实时保存大量的现场数据，当存储量达到十几兆甚至几百兆时，若采用ＲＡＭ或ＥＥＰＲＯＭ，在成本、体积、功耗和安全性上都不合适一般的串行或并行ＦＬＡＳＨ芯片，虽然容量大、成本低，也可以达到比较高的速度，但是ＦＬＡＳＨ芯片没有存储控制器，可造成闪存性能低下，寿命较短．而ｃＦ卡作为一种先进的移动数码存储产品，具有高速度、大容量、体积小、重量轻、功耗低等优点，且没有技术和权利金障碍，在市场上得到了广泛的应用，是通用性最强的存储卡之一．因此采用ＣＦ卡不失为一种大容量存储的有效解决方法．本文中以ＣＦ卡作为存储介质，通过ＵＳＢ接口使计算机与ｃＦ卡进行高速、可靠的数据交换，硬件电路中自带ｃＦ卡插槽可以识别各种型号的ｃＦ卡，可作为通用的ＣＦ读卡器．
１带ＵＳＢ接口的ＣＦ读卡器硬件设计１．１单片机
本次设计中采用的是华邦公司的高性能８位微控制器Ｗ７８Ｅ５１６ＢＰ．该单片机主要的功能就是协调ＵＳＢ接口芯片ＰＤＩＵＳＢＤｌ２（以下简称Ｄ１２）和ｃＦ卡以及主机之间的通信，也就是说，当主机发出一定命令后，引起Ｄ１２中断，单片机开始根据主机的命令进行相关的操作．设备牧举阶段，就是将各种描述符送到主机，完成设备的配置；数据传输阶段，就是通过ＵＳＢ端点将主机发送的数据存入ＣＦ卡或者读取
收稿日期：２００４．１１－０３通信作者：马文丽（１９６４一），女，教授，博士生导师，研究方向为分子生物学与基因芯片技术Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｎｌｉ＠ｆｉｍｍｕＣＯｒｎ
第６期
吴伟，等：用单片机构建带ＵＳＢ接口的ｃＦ读卡器
ｃＦ卡的数据送人主机．
Ｉ．２
ＵＳＢ及其接口芯片ＰＤＩＵＳＢＤｌ２
通用串行总线（ＵＳＢ），是一种快速、灵活的总线
接口．本次设计所使用的器件是飞利浦公司的ＵＳＢ接口；茁＝片ＰＤＩＵＳＢＤｌ２”ｊ．Ｄ１２是一个性能优化的ＵＳＢ器件，符合ＵＳＢＩ．１规范，它采用模块化的方法实现
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一个ＵＳＢ接口，用并行接口与单片机进行通信，是开发低成本、高效的ＵＳＢ外围设备解决方案的一种
最快途径．Ｄ１２的Ａ比引脚接地表示采用了多路地
址／数据总线方式，当输入，输出地址为奇地址时，表示输人／输出的是命令，偶地址时表示输入，输出为数据，具体的线路连接见图１．
ＵＳＢ＋ＤＡＴＡ０ＵＳＢＤＡＴＡｌ
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幽１Ｄ１２连线图
ｆ龟．１
Ｃｉｒｃｕｉｔ＂ｏｆＤ１２
１．３
ＣＦ卡
ＣＦ卡由两个基本部分组成（见图２）：控制芯片
和闪存模组．闪存用于存储信息，控制芯片用来实现与主机的连接及控制数据在闪存模块中的传输．ｃＦ卡为５０针接口（图３）．其中重要的信号线１６根数据线、１１根地址线、２根寄存器组选择信号线（ＣＳＯ、ＣＳｌ）、数据的读写线（ＩＯＲＤ、ＩＯＷＲ）、１根中断信号请求线（ＩＮＴＲＱ）和１根复位线（ＲＥＳＥＴ）．
１ｍＨｅｒ｛ａｏｓｔｃｅ●
?晦Ｄａｔａ
图２
ＣＦ卡基本组成部分
Ｆｉｇ．２
ＢａｓｉｃｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆＣＦｃａｒｄ
１．３．１
ＣＦ卡控制器
ＣＦ卡的寄存器都是８ｂｉｔ的，只有数据寄存器
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ＣＦ卡接口连线图
Ｆｉｇ．３
ＣｉｒｃｕｉｔｏｆＣＦｃｏｎｎｅｃｔｏｒ
是１６ｂｉｔ．ｃＦ卡控制器中包含两组寄存器：命令寄存器和控制寄存器，它们通过ＲＥＧ信号进行区分ｃＦ卡共有三种工作方式，分别是Ｉ／０Ｍｏｄｅ、Ｍｅｍｅｒｙ
Ｍｏｄｅ和Ｔｒｕｅ
ＩＤＥ
Ｍｏｄｅ．本文选择ＴｒｕｅＩＤＥ工作方式，
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５７２上海大学学报（自然科学版）第１ｌ卷
表１为此模式下寄存器组具体功能和地址分配表衰１ＴｒｕｅＩＤＥ模式下的寄存器配置”１
Ｔａｂ．１Ｒ晒咖ｒｅｏｎｌｔｇｕｒａｔｌｏａｔｎｆｌａｅＴｒｕｅⅢＥＭｏｄｅ
备注：一表示低电平有效，寄存器实际地址是Ｏｆｆｓｅｔ叠加到基地址空间上．
１．３．２ＣＦ卡的编址方式
ＣＦ卡的扇区寻址有两种方式：物理寻址方式（ＣＨＳ）和逻辑寻址方式（ＬＢＡ）．物理寻址方式使用柱面（Ｃｙｌｉｎｄｅｒ，有时也称磁道Ｔｒａｃｋ）、磁头（Ｈｅａｄ）和扇区号（Ｓｅｃｔｏｒ）表示一个特定的扇区，通常一个扇区拥有５１２Ｂｙｔｅ的数据空间．一个驱动数格式化后的容量为磁头数×柱面数×扇区数×５１２Ｂｙｔｅ．在物理寻址模式下，扇区（Ｓ）是最低的地址单位，其次是磁头（Ｈ），最后的柱面（ｃ）为最高寻址单位，总共可访问的最大磁盘容量为２５５×１０２３×６３×５１２Ｂｙｔｅ＝８０２４．６６ＭＢｙｔｅ．此外，还有逻辑寻址方式（ＬＢＡ）．在这种寻址方式下，ｃＦ卡按照以连续序列的逻辑扇区编号寻址，主机不必知道ｃＦ卡的物理几何结构，便于编程．使用２８个数据位来表示逻辑扇区的地址，可寻址２”个扇区，理论上可寻址１３６ＧＢ的容量．本例中采用ＬＢＡ寻址方式．逻辑块地址和物理地址的关系为：
ＬＢＡ＝（（（Ｔｒａｃｋ＊ＨｅａｄＴｒｋ）＋Ｈｅａｄ）＊ＳｅｃＴｒｋ）＋（Ｓｅｃｔｏｒ一１）㈨
Ｓｅｃｔｏｒ＝ｆＩＪＢＡｍｏｄＳｅｅＴｒｋ）＋１
Ｈｅａｄ＝（ＬＢＡ／ＳｅｃＴｒｋ）ｍｏｄＨｅａｄＴｒｋ
Ｔｒａｃｋ＝（ＬＢＡ／ＳｅｃＴｒｋ）／Ｈｅａｄｌｈ
ＬＢＡ为逻辑块地址（４Ｂｙｔｅ），Ｔｒａｃｋ为磁道号或柱面号，ＨｅａｄＴｒｋ为每柱面磁头数，Ｈｅａｄ为磁头编号，ＳｅｃＴｒｋ为每磁道扇区数，Ｓｅｅｔｏｒ为扇区编号
２设备固件程序设计和实现
根据ＵＳＢ协议１．１，ＵＳＢ设备被分成：显示器、通讯设备、音频设备、人机输入、海量存储“。．本次设计中采用的是基于Ｂｕｌｋ—Ｏｎｌｖ传输协议的ＭａｓｓＳｔｏｒａｇｅ设备，在Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００操作系统中，ｂｕｌｋｕｓｂ．ｉ１１ｆ已经提供了上述协议的驱动程序，可以直接引用，从而省去了编写繁琐的用户驱动程序的麻烦．在Ｂｕｌｋ—Ｏｎｌｙ传输方式下，有三种类型的数据在ＵＳＢ和设备之问传送：ＣＢＷ、ＣＳＷ和普通数据．ＣＢＷ（ＣｏｍｍａｎｄＢｌｏｃｋＷｒａｐｐｅｒ，即命令块包）是从ＵＳＢＨｏｓｔ发送到设备的命令，命令格式遵从接口中的ｂＩｎｔｅｒｆａｃｅＳｕｂＣｌａｓｓ所指定的命令块，这里为ＵＦＩ传输命令集．ＵＳＢ设备要将ＵＦＩ命令从ＣＢＷ中提取出来，按照ＵＦＩ命令集的定义执行相应的操作，或是需要接收下一个Ｂｕｌｋ。Ｏｕｔ发来的数据，或是需要向Ｈｏｓｔ传送数据，完成以后向Ｈｏｓｔ发出反映前命令执行状态的ＣＳＷ（ＣｏｍｎｕｍｄＳｔａｔｕｓＷｒａｐｐｅｒ），Ｈｏｓｔ根据ＣＳＷ来决定是否继续发下一个ＣＢＷ或是数据”ｏ．当设备插入到ＵＳＢ后，ＵＳＢ即对设备进行搜索，并要求设备提供相应的描述符．在ＵＳＢＨｏｓｔ得到上述描述符后，即完成了设备的配置，识别出为Ｂｕｌｋ—Ｏｎｌｙ的ＭａｓｓＳｔｏｒａｇｅ设备，后即进入Ｂｕｌｋ—Ｏｈ传输方式．在此方式下，ＵＳＢ与设备间的所有数据均通过Ｂｕｌｋ．Ｉｎ（在Ｄ１２中为端点索引５），Ｂｕｌｋ．Ｏｕｔ（在Ｄ１２中为端点索引４）来进行传输，不再通过控制端点传输任何数据．这里，Ｉｎ或Ｏｕｔ都是从主机的角度来讲的，前者用于设备向主机发送数据，后者用主机向设备发送数据，Ｂｕｌｋ．Ｉｎ端点的处理比较简单，在需要的时候，Ｄｅｖｉｃｅ将要发往Ｈｏｓｔ的数据通过此端点送出即可，如果数据一次不能发完，则设置标志位，通过发送中断的产生可以实现连续发送．Ｂｕｌｋ．Ｏｕｔ端点的情况比较复杂一些，要判断收到的是协议内容还是数据，如果是协议内容，要对协议包进行解析，根据协议中的内容得到ＵＦＩ命令，然后再根据这些命令处理相应的请求．
下面以图４为例，说明ＵＳＢ一个控制传输的完成过程．一个控制传输分为三个阶段：建立阶段（ＳＥＴＵＰ）、数据阶段（ＤＡＴＡ）和状态阶段（ＳＴＡＴＵＥ）每个阶段又有令牌分组（ＴｏｋｅｎＰａｃｋｅｔ）、数据分组（ＤａｔａＰａｃｋｅｔ）和握手分组（ＨａｎｄｓｈａｋｅＰａｃｋｅｔ）组成．每次的传输事务都是由主机发送ＳＥＴＵＰ包开始的，握
第６期吴伟，等：用单片机构建带ＵＳＢ接口的ｃＦ读卡器５７３
手分组是报告数据传输的状态的，而状态阶段是反应建立阶段的状态．在建立阶段和状态阶段，可能会存在控制传输的的数据阶段，如果有的话，由一个以上的输入或输出事务构成在数据阶段中要发送的数据的数量和其方向在建立阶段里被指定．如果数据的数量超过了此端点的数据分组大小（ＭａｘＰａｃｋｅｔＳｉｚｅ），则会在多个数据传输阶段（输入或者输出）来传输，每次都按最大分组数据传输，任何剩下的数据都作为剩余在最后的传输阶段中被发送．
建立目ｒ段彀据Ｗｒ段拭悉目ｒ段
ｒ——。Ｌ＿弋／—————————————７、————————————、ｒ——。Ｌ１
控制写围回回…回回
ＤＡＴＡＯＤＡＴＡｌＤＡＴＡ０ＤＡＴＡ０／】ＤＡＴＡｌ
雠帻囤回回…圃围
图４控制传输示意图
Ｆｌｇ．４Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｒａｌｋｓｍｌｓｓｔｏｎｐｒｏｃｅｓｓ图５是主机通过Ｂｕｌｋ—Ｉｎ端点读取ＣＦ卡一个扇
区的流程图．在主机方，当采用ｄｅｖｉｅｅｉｏｃｔｌ或者
ｒｅａｄｆｉｌｅ命令向设备请求数据时，底层驱动就会持续
向设备发送ｉｎ令牌，直到请求的所有数据都正确返
回或者连续有３次错误产生为止．当主机发送读取
扇区的ＣＢＷ后，Ｂｕｌｋ．Ｏｕｔ端点接收并对其进行ＣＢＷ
包的校验，然后从中提取出ＵＦｌ指令，得到所要读取
扇区的ＬＢＡ地址（４Ｂ）和扇区数（１Ｂ），读取ＣＦ卡状
态寄存器来检查ＵＦＩ指令的完成情况，５０Ｈ表示已
经完成，５１Ｈ表示出现错误，５８Ｈ表示指令没有完
成．如果没有完成，则将Ｂｕｌｋ—Ｉｎ端点的中断标志清
零，同时清空该端点的缓冲区，依次读取扇区的６４Ｂ
（端点５的ＭａｘＰａｃｋｅｔＳｉｚｅ最大为６４Ｂ，而一个扇区
为５１２Ｂ，所以需要分８次传送），存放于端点的缓冲
区中，缓冲区填满后，等待主机发送Ｉｎ令牌后数据
会自动发走，无需人工干预，同时引发端点５的中断，单片机将确定剩余的字节数是否为零，如果已经没有数据要发送，单片机需要发送一个空的包以指示主机数据发送完毕，否则将剩下的数据从ＣＦ卡中读出，并写人ＵＳＢ端点５的缓存区中，为下一次传送作准备，这样循环往复，直到ＣＦ的状态寄存器等于５０Ｈ，整个子程序结束．写扇区的过程与读扇区的过程基本类似，只是用到的端点正好反过来而已．３总结
经实验证明，在Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００以上操作系统上，将各种型号的ＣＦ卡插入插槽，然后接到主机以后，能够被主机正确识别，可像Ｕ盘一样进行高速、可靠的数据存储，为进一步使该设计应用于生物信号采集和存储奠定了基础
图５读一个扇区数据发送至主机流程图
Ｆｉｇ．５Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｒｅａｄｉｎｇａｓｅｃｔｏｒｄａｔａｆｒｏｍ
ＣＦｇａｒｄｔｏｈｏｓｔ
参考文献：
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［２ｊ倪其昌，向麦黄．ｓｓＴ４８ＣＦ系列ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈＣａｒｄ及其与８０５１单片机的接ｆＩ［Ｊ］．国外电子元器件，２００４，（４）：３１—３３
ｌ３］ＵＳＢｌｍｐｌｅｍｃｎｔｅｒｓＦｏｒｕｒａ，ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｔｉａｌＢｕｓＭａｓｓＳｔｏｒａｇｅＣｌａｓｓＵＦＩＣｏｍｍａｎｄＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ【ＳＪ１９９８１２１４
［４］ＵＳＢｌｍｐｌｅｍｅｎｔｅｒｓＦｏｒｕｍ，ＭａｓｓＳｔｏｒａｇｅＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ
０＂ｖｉｅｗ１ｌ［Ｓ］２０００ｌ７
［５ｊＵＳＢｌｍｐｌｅｍｅｎｔｅｒｓＦｏｒｕｍ，ＵｎｉｖｅｒｓａｌＳｅｒｉａｌＢｕｓＭａｓｓＳｔｏｒａｇｅＣｌａｓｓＢｕｌｋ—ＯｎｌｙＴｒａｎｓｐｏｒｔｌＳＪ１９９９１—２２
（编辑：刘志强）
用单片机构建带USB接口的CF读卡器
作者：吴伟， 马文丽， 梁斌， 郑文岭， WU Wei， MA Wen-li， LIANG Bin， ZHENG Wen-ling 作者单位：吴伟,梁斌,WU Wei,LIANG Bin(上海大学,电子生物技术研究中心,上海,200072)， 马文丽,郑文岭,MA Wen-li,ZHENG Wen-ling(上海大学,电子生物技术研究中心,上海,200072;南方
医科大学,基因工程研究所,广州,510515)
刊名：
上海大学学报（自然科学版）
英文刊名：JOURNAL OF SHANGHAI UNIVERSITY (NATURAL SCIENCE EDITION)
年，卷(期)：2005，11(6)
引用次数：0次
参考文献(5条)
1.周立功PDIUSBD12 USB固件编程与驱动开发 2003
2.倪其昌.向麦黄SST 48CF系列Compact Flash Card及其与8051单片机的接口[期刊论文]-国外电子元器件
2000(4)
https://www.360docs.net/doc/564218610.html,B Implementers Forum,Universal Serial Bus Mass Storage Class UFI Command Specification 1998
https://www.360docs.net/doc/564218610.html,B Implementers Forum,Mass Storage Specification Overview 1.1 2000
https://www.360docs.net/doc/564218610.html,B Implementers Forum,Universal Serial Bus Mass Storage Class Bulk-Only Transport 1999
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本文链接：https://www.360docs.net/doc/564218610.html,/Periodical_shdxxb200506005.aspx
下载时间：2010年1月6日